高應力硬巖脆性板裂破壞和應變型巖爆機理研究.pdf

1、高應力地下洞室開挖后，在洞室周邊的圍巖中常常會出現(xiàn)與開挖面基本平行的板裂破壞面，當洞室埋深較大或地應力很高時，周邊圍巖甚至會出現(xiàn)巖爆等劇烈工程災害現(xiàn)象。為此，本文作者在國家自然科學基金、國家留學基金委“建設高水平大學公派研究生”等項目的資助下，以“高應力硬巖脆性板裂破壞和應變型巖爆機理研究”為題，綜合利用室內試驗、理論分析、數(shù)值模擬和工程應用等手段，對硬巖在高應力條件下的板裂破壞及應變型巖爆問題進行了系統(tǒng)的研究。
　　 首先，設

2、計了硬巖和軟巖試樣的單軸壓縮試驗和直接拉伸試驗，開展了兩種巖石在不同加載模式下的力學性質對比，分析了直接拉壓條件下硬巖和軟巖的強度、變形、彈性模量、泊松比、聲發(fā)射等物理參數(shù)的變化規(guī)律，得到了兩種巖石在拉壓載荷作用下的應力應變規(guī)律和聲發(fā)射特征，用三維形貌掃描儀從細觀方面觀察了直接拉伸試樣破壞斷口的三維形態(tài)。
　　 其次，選取挪威南部某采石場的Iddefjord花崗巖，設計了硬巖板裂破壞的室內試驗，利用標準圓柱體試樣的單軸壓縮試驗和

3、巴西圓盤劈裂試驗得到了硬巖的主要力學性質指標。在此基礎上，開展了不同高寬比條件下方形花崗巖試樣的單軸壓縮試驗，率先在實驗室條件下再現(xiàn)了深部高應力硬巖的板裂破壞模式，找到了硬巖在單軸壓縮下從剪切破壞到板裂破壞過渡的外部條件，發(fā)現(xiàn)硬巖的板裂破壞裂紋基本上是一些等間距分布且平行于加載方向的破壞面，其板裂破壞強度約為該巖石標準圓柱體試樣單軸抗壓強度的60％左右。在室內試驗的基礎上，對不同高寬比條件下硬巖的單軸壓縮試驗進行了數(shù)值模擬，研究了端部效

4、應對試樣內應力、應變分布的影響，利用摩爾-庫侖應變軟化準則模擬了三組試樣的單軸壓縮破壞過程。
　　 圍繞高應力硬巖的板裂破壞，開展了硬巖板裂破壞的微觀斷裂力學分析。利用Iddefjord花崗巖顯微鏡下的微觀照片，發(fā)現(xiàn)硬巖試樣存在明顯的微觀缺陷和結構的非均質性。利用線彈性斷裂力學方法，對單軸壓縮下楔形滑移型裂紋的擴展規(guī)律進行了理論推導，得到了單裂紋條件下裂紋擴展的臨界應力和裂紋初始長度、裂紋面傾角、摩擦角、巖石斷裂韌度等之間的關系

5、，并推導了壓縮載荷和裂紋擴展長度之間的關系式，同時還分析了雙軸壓縮載荷作用下滑移型裂紋尖端翼裂紋擴展的應力強度因子和裂紋長度之間的關系。
　　 另外，對深部高應力條件下硬巖屈曲板裂失穩(wěn)和動力擾動下礦柱的力學響應進行了宏觀分析。一方面，對于深部高應力洞室圍巖屈曲板裂問題，既考慮了軸心載荷作用，也考慮偏心載荷的作用，得到了偏心荷載作用下巖板最大水平位移、最大壓拉應力和巖板的長厚比、載荷大小、載荷偏心距、巖板彈性模量等參數(shù)之間的關系，

6、研究發(fā)現(xiàn)采場充填體等的圍壓效應對巖板屈曲板裂破壞有明顯的抑制作用，并以貴州開陽磷礦下屬的馬路坪礦為例，進行了工程實例應用。另一方面，利用數(shù)值模擬的方法對高應力硬巖礦柱在動力擾動下的力學響應問題進行了論述，發(fā)現(xiàn)承受高應力的巖體，隨著所受初始靜載應力的增大，外界的動力擾動對其影響就越明顯；承受高靜載應力的礦柱，較小的動力擾動可能會使其發(fā)生塑性破壞而導致深部開采時的“多米諾骨牌”效應。
　　 最后，利用Iddefjord花崗巖加工了含

7、預制孔洞的試樣，模擬深埋高應力隧道開挖時應變型巖爆的發(fā)生機理。試驗發(fā)現(xiàn)隨著試樣內應力的增大，在平行于孔洞豎直方向相繼出現(xiàn)劈裂裂紋并逐漸貫通，在孔洞周邊巖體中出現(xiàn)塊體彈射、片幫等應變型巖爆的物理特征。同時，還對含孔洞花崗巖試樣進行了數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)模型在破壞初期均為拉破壞，即產(chǎn)生平行于孔洞豎向邊界的張拉破壞面，這和工程現(xiàn)場的板裂或片幫破壞比較類似。
　　 在此基礎上，利用FLAC3D對深埋高地應力圓形隧道進行了三維應力分析，發(fā)現(xiàn)