高應力巖體的動態(tài)加卸荷擾動特征與動力學機理研究.pdf

1、中圖分類號UDCTU452624博士學位論文學校代碼!Q呈三密級公玨高應力巖體的動態(tài)加卸荷擾動特征與動力學機理研究CharacteristicoftheDynamicLoadingandUnloadingResponsesandDynamicMechanismofRocksunderHighInitialStress作者姓名：陶明學科專業(yè)：礦業(yè)工程研究方向：采礦工程學院(系、所)：資源與安全工程學院指導教師：李夕兵教授聯(lián)合培養(yǎng)導師：Dr

2、ChengqingWu(TheUniversityofAdelaide)論文答辯日期≯2Z三：Z』：簦答辯委員會主席中南大學2013年11月博士學位論文摘要高應力巖體的動態(tài)加卸荷擾動特征與動力學機理研究摘要：深部巖體由于其自重和地球構造運動的影響，本身是應力和能量的儲存體。開挖前，開挖面和周圍巖體之間處于準靜態(tài)平衡(quasistatic)狀態(tài)。當巖體開挖，原有的平衡狀態(tài)被打破，引起初始應力和能量的重新分布、轉移和釋放，這將促使巖體內部

3、損傷演化的累積和發(fā)展，進而可能產(chǎn)生宏觀的時效斷裂。由于開挖導致巖體初始應力的轉移、釋放以及巖體的松弛變形嚴重影響地下工程開挖的穩(wěn)定性。如，深部開挖可能導致開挖面附近巖石的破壞甚至巖爆的發(fā)生，這使得深部巖體的破壞形式表現(xiàn)得非常復雜和特別。同時，深部巷道開挖還常常會出現(xiàn)層裂等漸進破壞模式。因此，由于開挖導致原巖應力和能量的釋放不但影響開挖過程中的安全性，而且會嚴重改變巷道圍巖的支護要求和支護能力。目前深部巖石力學問題的研究主要是從靜力學或準

4、靜力學及純動力學的角度出發(fā)，很少考慮高應力巖體由于自身靜態(tài)初始應力和外界動力擾動混合作用的行為特性。為此，本文圍繞初始應力對彈性波傳播的影響，沖擊載荷作用下引起的層裂破壞，高應力巖體加、卸荷作用下的破壞機理等展開了相關的理論、實驗和數(shù)值模擬研究，旨在探討高應力巖體破壞的巖石力學機理。主要內容和結論性成果如下：(1)通過數(shù)學物理的方法求得了巖體加、卸荷過程中的定解問題。分析了初始應力和初始應力梯度對應力波傳播過程的波動方程、應力波波速等的

5、影響。設計了應力波在有初始應力的花崗巖試件中的傳播實驗，結果表明縱波和橫波波速都隨初始應力的增加而增大，驗證了理論推導的正確性。(2)針對沖擊載荷作用下層裂破壞的多種表現(xiàn)形式，對一維桿件的層裂破壞特性、地下封閉爆炸的地表層裂特性、地下結構的層裂特性進行了理論分析。首次利用長條形的花崗巖試件實現(xiàn)了一維應力條件下的層裂破壞，并由試驗結果推導出巖石層裂試驗過程存在明顯的損傷破壞效應。同時，把初始應力和初始應力梯度引入到分析地下爆炸引起的地表層