断续节理岩体破坏力学特性及锚固控制机理研究

发布时间：2020-07-10 13:03

【摘要】：大量的工程实践表明,围岩中原有节理裂隙等不连续面在环境应力作用下的扩展及贯通极易引发岩体工程的失稳破坏,而锚杆在节理岩体支护中表现出显著的加固效果。因此,研究节理岩体的变形破坏特性及锚固止裂效应,对于岩体工程的稳定控制具有十分重要的意义。本文依托江苏省杰出青年基金项目(BK20150005)和国家自然科学基金重点项目(51734009),针对节理岩体稳定性控制这一科学问题,采用室内试验、数值模拟、理论分析和工程实践相结合的方法,从节理岩体的变形破坏特性和锚杆加固止裂效应两方面展开研究。主要研究内容与结论如下:(1)采用类岩石材料制备含断续节理组试样模型,通过伺服压力机对含不同节理组倾角的断续节理的类岩石试样进行单轴压缩实验,分析节理组倾角对节理岩体模型的强度及变形特征影响。结合数字散斑相关方法(DSCM)及声发射测试系统,研究加载过程中试样的应变场及声发射演化过程,探讨了应变局部化特征所引起的试样受力状态改变,得到了节理组倾角影响下的含断续节理组试样的五种破坏模式。(2)开展了不同锚固工况下的加锚断续节理岩体的单轴压缩试验,研究了锚固类型、预应力大小、节理组倾角对锚固节理岩体宏观力学响应特征的影响规律,探讨了锚杆加固对锚固体力学行为、强度参数及变形特征的定量影响,分析了锚杆对于节理岩体峰后脆性特征的影响。(3)采用数字散斑技术、声发射监测及锚杆轴力监测技术,从宏细观角度多尺度地对含断续节理锚固体的破裂演化过程进行研究,分析了节理组倾角、锚杆预应力对锚固体损伤演化过程及破坏特征的影响,揭示了加载过程中锚杆轴力与“锚杆-节理岩体”复合承载结构稳定性之间的关系。采用X射线CT扫描系统,并结合Avizo软件对破裂后试样的内部裂隙面进行了三维重构,分析了锚杆对于节理岩体的内部裂纹的影响规律,揭示了锚杆对于节理岩体的加固止裂机制。(4)利用三维颗粒流离散元程序建立数值模型,基于物理试验数据标定颗粒流模型中所需的细观力学参数。在此基础上,模拟了无锚及不同锚杆预应力作用下的锚固体强度变形特征,扩展分析了破坏过程中断续节理试样的微裂纹演化过程及位移矢量场特征,加深了对预应力锚杆作用下断续节理岩体的加固止裂机理的理解。(5)以深部软岩破碎巷道为工程背景,基于完整岩石力学参数及现场GSI数据,对工程岩体参数进行了校核。采用块体离散元程序对数值模拟中所需的岩层细观参数进行标定,并建立了相应的巷道围岩数值模型。通过控制应力释放率来模拟巷道开挖,分析了巷道开挖过程中围岩的位移矢量场、主应力矢量场、塑性屈服区以及破裂损伤区分布规律,提出基于“初期高预应力主动支护+二次强力支护”对策的“锚网索+壳体”联合支护方案,并进行数值模拟及现场支护试验验证,获得了良好的工程应用效果。该论文有图132幅,表26个,参考文献213篇。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD353.6
【图文】：

断续节理岩体,原生裂隙,煤柱破坏,节理裂隙

节理裂隙围岩（a）断续节理岩体；（b）原生裂隙贯通引起的煤ointed rock mass (a) Non-persistent Jointed Rock; (b) two pre-existipillar[3]证岩体工程能够安全开挖及稳定运行，必须采取必要的安固技术，无疑是保证岩体工程建设顺利进行和正常使用，效措施[6, 7]。锚固技术自上世纪五十年代末传入我国以来展创新，目前已广泛应用于矿山、水电、土木建筑、交通

失稳破坏,大变形,巷道

博士学位论文进行了包括理论分析、数值模拟、室内试验、现场试验等众多探索性研究，得了一批重要的研究成果。而随着工程围岩环境日趋复杂，在强扰动、高渗透压及高应力等环境下理裂隙岩体内裂纹的扩展贯通极易引起围岩的非连续变形及失稳破坏。因此行围岩稳定性控制研究时，仅以均质完整岩石作为研究对象是不够的，岩体节理裂隙等结构面往往对围岩的破坏失稳起着决定性作用，而目前关于锚杆节理岩体的锚固机制研究还比较匮乏[10]。这导致目前锚固机制研究所取得的准确性和适用性较低，在锚固工程方案设计中仍主要依靠经验类比法，难以锚固工程的安全运营，锚固技术在使用中因支护方案不当而引起的围岩大变帮片帮、顶板冒落等安全事故时有发生，如图 1-2 所示。

曲线,劈裂试验,巴西,应力位移

2-4 轴向破坏力与围压关系曲线n curve of axial peak stress and confining pressure，本次试验加工制作了一组直径 50mm，了巴西劈裂试验，如图 2-5 所示。根据巴tt2=π tPD程中的最大承载力，N；D 为巴西圆盘试样，mm。图 2-5 给出了巴西劈裂试验及利用样的抗拉强度在 2.8~3.5MPa 之间，平均值约为 1:11 左右，而自然界岩石中该值类岩石材料的巴西劈裂试验的破坏模式与试验中配制的类岩石材料抗拉特性满足要3/MPa

【参考文献】