透明巖體相似材料研制與實驗應用研究.pdf

1、眾所周知,深部巷道圍巖常處于極其復雜的應力狀態(tài)下,巷道圍巖的的變形破裂時空演化規(guī)律直接影響到支護與工程穩(wěn)定,而當今的實驗研究中,因巷道圍巖內部的變形破裂模式無法直視,以至圍巖的變形破裂、內部裂隙的時空演化等基本問題并不完全清楚。因此,探索研究一種透明巖體材料用來解決巷道圍巖中內部變形破裂不可視的問題勢在必行,對于深入揭示深部巷道圍巖破裂的時空演化機理和建立更加合理的本構模型及強度準則具有重要的理論意義,同時,對解決深部工程中諸如破裂圍巖

2、的加固時機與加固范圍等穩(wěn)定控制及因圍巖破裂導致的工程災害的時空預測問題亦有著十分重要的實用價值。
　　本文依托國家自然科學基金項目“深部巖體破裂時空演化機理的透明巖體實驗研究”(No.51174197)和國家重點基礎研究發(fā)展計劃973項目“深部復合地層圍巖與 TBM的相互作用機理及安全控制”(No.2014CB046905),在總結前人研究透明巖土體相似材料制作方法經驗基礎上,以軟巖為相似原型材料,通過對透明巖體相似材料的選取、配

3、比實驗等,配制出了透明軟巖相似材料。然后,對制備試樣分別進行單軸實驗(圓柱體、立方體)、直剪實驗、三軸實驗以及小型巷道模型實驗,來測試透明巖體的基本力學性質,借助導師自行研制的數(shù)字照相量測技術,初步研究分析了透明巖體試樣內部變形破裂的時空演化規(guī)律。得到的主要結論如下:
　　(1)總結前人經驗和自己實驗探索發(fā)現(xiàn):在所選的實驗方案中,只有骨料為粒徑200-300目的硅膠粉與膠結料為礦物油(液體石蠟與正十三烷質量比為1:0.835)時,

4、制作試樣的透明度最好。
　　(2)通過實驗研究分析,發(fā)現(xiàn)透明巖體相似材料的兩大關鍵點—透明度與強度相似性的重要影響因素,其中,透明度取決于四個方面:①硅膠粉與礦物油的折射率的匹配程度;②抽真空時混合硅膠溶液中氣體含量;③硅粉和礦物油的純度和透明度;④加卸載速率。而強度除實驗中人為因素外,主要與固結應力和固結強度有關,具體關系為:相同固結時間時隨著固結應力的增大,透明巖體相似材料的強度增大;在相同固結應力下,固結時間越長,透明巖體相

5、似材料的強度越大,但固結時間超過10天時,透明巖體相似材料的力學性質基本上不再變化。
　　(3)采用圓柱體試樣,分別進行了單軸壓縮、直剪實驗和三軸實驗,透明巖體相似材料的基本的力學實驗,結果表明,本文研制的透明巖體相似材料的強度、彈性模量、密度、內摩擦角、粘聚力最大值分別為0.36MPa、23.7MPa、1.11g/cm3、7.56°、22.03kpa。
　　(4)采用研制的透明巖體相似材料,進行了小型試件的單軸壓縮數(shù)字照相

6、變形觀測實驗應用研究,分析了透明立方體(100mm×100mm×100mm)巖體試樣單軸壓縮下的變形破裂規(guī)律,以及在巷道(100mm×100mm×100mm)開挖、穩(wěn)壓、加壓、卸壓過程中巷道圍巖的變形破裂時空演化規(guī)律,結果表明:透明巖體立方體試樣單軸壓縮下的應力—應變曲線峰后表現(xiàn)出明顯的應變軟化階段,試樣中心、頂端、兩側、底端的變形區(qū)別較大。巷道的開挖、穩(wěn)壓、加壓、卸壓過程對圍巖的應力和變形破裂影響較大。
　　(5)基于物理實驗測