深部岩体变形破裂时空演化规律与机理研究

发布时间：2017-05-28 09:05

  本文关键词：深部岩体变形破裂时空演化规律与机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：深部巷道处于“三高一扰动”的复杂地质力学环境中,其围岩破裂的时空演化规律与机理是事关深部工程稳定控制原理与技术的关键科学问题。但由于实际工程岩体或当前物理模型都是不透明材料,围岩变形的直接观测仅限于模型表面,而模型内部变形只能通过局部的、间接的方法进行有限观测,致使全面细致的岩体变形破裂过程及其复杂力学行为研究受到很大局限。因此,本文以透明岩体相似材料为基础,结合数字照相量测技术、数值模拟以及理论分析方法,对无构造应力作用下深埋圆形巷道开挖过程中围岩的内部变形破裂规律及机理展开研究,主要研究成果如下:(1)围绕现有透明岩土基础实验方法,进一步对透明岩体相似材料以及实验方法展开研究,研制得到了满足实验应用要求的透明岩体相似材料、透明岩体巷道模型试验装置和以电机为加载方式的透明岩体多功能加载试验系统,并提出了透明岩体人工填充式制斑方法和三维数字照相量测分析方法。(2)通过对三维数字照相量测相关算法进行研究,采用面向对象的编程语言Delphi结合Matlab计算数据库成功研发出了包含图像预处理、特征点检测、相机平面检校和三维坐标求解四大模块的三维数字照相量测软件系统Photogram_3D。(3)获得了透明岩体巷道模型内部变形破裂随开挖加载的时空演化规律:1)随开挖面推进,巷道各处岩体变形将历经基本不变形、变形急剧增长和变形速率逐渐减小三个阶段;而破裂发展则可大致分为未破裂、裂纹开始出现、上下裂纹开始交汇、裂纹开始交错贯通、裂纹大幅交错贯通及裂纹偏转压密6个阶段;2)巷道各处岩体的径向位移都大致与其距巷道表面的距离呈指数衰减关系;3)模型巷道横断面岩体的宏观裂纹数目及总长、破裂区域宽度及圆心角等都随巷道开挖通过时间或顶部荷载呈指数增长;4)随着顶部荷载的增大,顶部岩体将发生整体滑动而导致巷道失稳破坏。(4)采用PFC3D离散颗粒流软件重现了深部巷道岩体的变形破裂时空演化过程,并在此基础上进一步分析了侧压力系数、地层埋深和单裂隙分布模式对巷道围岩变形破裂的影响,得出:1)高侧压力系数是导致巷道围岩发生分区破裂的最主要原因;2)随着地层埋深的增大,巷道围岩将在对角线附近发生水平交错分离现象并产生两条明显的主裂纹,形成“X”型破裂;3)裂隙方位角和裂隙宽度是影响巷道表面围岩收敛变形的最主要因素,而裂隙方位角和裂隙长度则对巷道横断面围岩的破裂扩展起着决定性作用。(5)建立了考虑巷道开挖时间效应影响和塑性区岩体剪胀作用的深埋圆形巷道弹塑性模型和滑动失稳破坏模型,这两种模型能够在一定程度上对巷道围岩的变形破裂时空演化规律进行表征和说明。(6)获得了无构造应力深埋圆形巷道岩体的变形破裂机理:1)巷道围岩变形是弹性变形、剪胀变形和滑动变形这三种型式变形的叠加结果;2)围岩径向应力的多次突然卸载是导致巷道帮部岩体呈“月牙型”破裂并逐渐往深部和顶底部扩展的主要原因;3)巷道帮部岩体的破裂扩展将导致其承载能力和抗滑能力降低,进而引起巷道顶底部岩体“立足不稳”而发生整体性滑动,出现“X”型破裂。
【关键词】：透明岩体 数字照相量测技术 变形破裂 时空演化 PFC3D 弹塑性模型 整体稳定性
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-31
• 变量注释表31-33
• 1 绪论33-46
• 1.1 问题的提出33
• 1.2 国内外研究现状33-43
• 1.3 主要研究内容与方法43-44
• 1.4 论文主要创新点44-46
• 2 基于透明岩体相似材料的深部巷道模拟试验方案设计46-71
• 2.1 试验研究目的46
• 2.2 透明岩体相似材料及其基本物理力学性质测试46-51
• 2.3 透明岩体巷道模型试验装置与加载系统设计51-58
• 2.4 透明岩体巷道的变形破裂数字照相测量方法58-63
• 2.5 深埋巷道模拟试验设计63-69
• 2.6 本章小结69-71
• 3 基于透明岩体二维量测的深部巷道变形时空演化规律研究71-104
• 3.1 模型巷道开挖时岩体的变形时空演化规律分析71-84
• 3.2 模型巷道加载时岩体的变形时空演化规律分析84-100
• 3.3 深部圆形巷道围岩变形时空演化规律分析100-102
• 3.4 本章小结102-104
• 4 基于透明岩体三维量测的深部巷道变形时空演化规律研究104-138
• 4.1 普通数码相机的三维变形量测原理104-107
• 4.2 透明岩体三维数字照相量测软件开发107-125
• 4.3 三维数字照相量测软件解算精度检验125-129
• 4.4 深部巷道围岩三维变形时空演化规律研究129-136
• 4.5 本章小结136-138
• 5 基于透明岩体试验的深部巷道破裂时空演化规律研究138-159
• 5.1 模型巷道开挖时岩体的破裂时空演化规律138-148
• 5.2 模型巷道加载时岩体的破裂时空演化规律148-155
• 5.3 深埋圆形巷道岩体的破裂发展规律分析155-157
• 5.4 本章小结157-159
• 6 深埋岩体变形破裂PFC3D数值模拟研究159-201
• 6.1 深埋巷道围岩的PFC~(3D)数值模型建立159-161
• 6.2 深埋巷道围岩开挖变形破裂时空演化规律161-177
• 6.3 侧压系数对巷道周边岩体变形破裂的影响177-184
• 6.4 地层埋深对巷道周边岩体变形破裂的影响184-192
• 6.5 单裂隙对巷道周边岩体变形破裂的影响192-199
• 6.6 本章小结199-201
• 7 深部岩体变形破裂时空演化机理研究201-235
• 7.1 深埋圆形巷道变形破裂的弹塑性分析201-220
• 7.2 深埋圆形巷道整体滑动失稳破坏分析220-228
• 7.3 岩溶水压对深埋圆形巷道变形破裂影响分析228-231
• 7.4 深埋圆形巷道岩体的变形破裂时空演化机理231-234
• 7.5 本章小结234-235
• 8 结论与展望235-240
• 8.1 主要研究成果235-238
• 8.2 展望238-240
• 参考文献240-249
• 作者简历249-252
• 学位论文数据集252

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本文编号：402304