水巖作用下深部巖體的損傷演化與流變特性研究.pdf

1、地下深部巖體處于高地應力、高溫和地下水的多場耦合復雜環(huán)境中，其巖體的變形破壞特征呈現出明顯的流變性，巖體變形具有時間相依性，變形量隨時間延長而不斷增加，從而導致巖體抗破壞能力下降。同時，地下水通過物理化學作用和水壓作用使巖體組分改變、微孔隙生成、微裂隙擴展，損傷程度加劇，粘聚力和摩擦系數變小，使其宏觀上的強度和剛度等力學性能下降，巖體更易變形且變形量更大。深部巖體所處的特殊地質力學環(huán)境是造成深部巖體工程毀壞和人員財產損失自然原因。因此，

2、開展水巖作用下深部巖體的損傷演化和流變特性研究，其成果能為地下深部井巷工程和硐室開挖、支護以及穩(wěn)定性分析提供科學依據，對深部巖體工程的安全建設、營運及其長期穩(wěn)定性具有重要的指導意義和良好的工程應用價值。
　　本文研究內容依托國家自然科學基金資助項目（50774093:水巖作用下裂隙巖體流變—損傷—斷裂耦合理論及應用）、中南大學研究生創(chuàng)新基金項目（134377237:高應力下極軟弱巖體變形機理及巷道斷面大規(guī)模收斂成因研究）和金川有色

3、公司重大科技攻關課題:“金川礦山深部高強度采掘條件下的巖石力學研究”。采用流變力學與損傷力學理論，從現場調查、采樣加工到室內試驗、理論分析與計算機仿真模擬等多方面深入研究了水巖作用下深部巖體的損傷演化規(guī)律和流變特性。主要研究工作及成果包括以下幾個方面:
　　(1)通過資料整理、現場地質調查和現場監(jiān)測等手段探明金川二礦區(qū)深部巖體的地質環(huán)境和節(jié)理裂隙的賦存情況;對金川二礦區(qū)深部850m、978m和1098m三個分段的典型巖性進行采樣-

4、加工-室內物理力學試驗，得到了各巖性巖樣的基本物理力學參數;對各巖性巖樣的試驗結果進行對比分析發(fā)現:二輝橄欖巖和含輝橄欖巖的力學強度指標較高，大理巖和斜長角閃巖的力學強度指標較低，且斜長角閃巖飽水后的力學性能下降最為明顯，以此確定各巖性中巖石強度較低、飽水后力學指標下降最多的斜長角閃巖作為后階段水損傷演化試驗和流變試驗的研究對象。
　　(2)以斜長角閃巖為代表巖性，開展了水巖作用下巖樣的膨脹損傷演化試驗、離子濃度測定試驗、電子顯微

5、鏡微觀結構成像試驗、基于核磁共振技術的水巖作用下巖樣內部結構的細觀試驗和水物理化學損傷下巖體節(jié)理表面形貌特征的細觀試驗。試驗成果表明:巖樣遇水發(fā)生水損傷的機理就是巖樣中的親水性礦物成分蒙脫石與水發(fā)生一系列的物理化學反應，改變巖體組分和內部結構，巖樣的自由膨脹率、內部孔隙度、節(jié)理表面特征參數和宏觀力學參數都隨浸水時間的延長而呈指數衰減函數關系，并運用巖石損傷力學理論建立了分別以膨脹率、孔隙度和浸水時間為損傷變量的金川二礦區(qū)深部巖體—斜長角

6、閃巖的水損傷演化方程和本構關系。
　　(3)使用RYL-600巖石剪切流變儀在自然狀態(tài)下和飽水狀態(tài)下對含蒙脫石的斜長角閃巖開展了的室內單軸分級增量循環(huán)加卸載蠕變試驗，得到了各應力水平下巖樣的應變-時間曲線。試驗結果分析表明:巖樣同時具有瞬彈性、瞬塑性、粘彈性和粘塑性的非線性粘彈塑特性;巖石的變形量隨時間的延長而不斷增大，具有明顯的流變性，地下水對深部巖體內部組構的改變與力學性能的損傷弱化降低了初始蠕變強度和巖石長期強度，增大了蠕變

7、變形量和蠕變速率，加劇了深部巖體流變性。
　　(4)采用無損高效的核磁共振技術，對蠕變試驗過程中不同應力加卸載狀態(tài)中的巖樣進行了核磁共振成像和橫向弛豫時間T2譜面積的反演分析，得到了對應蠕變試驗階段中巖樣的核磁共振孔隙度。由試驗結果可知:飽水狀態(tài)下的巖樣在相同的蠕變試驗過程階段中具有更大T2譜面積以及核磁共振孔隙度，反映出水與巖樣發(fā)生水巖物理化學反應，巖樣內部結構變松散，損傷程度加劇，蠕變變形量更大;自然狀態(tài)下和飽水狀態(tài)下巖樣的T

8、2譜面積和核磁共振孔隙度隨著蠕變加載荷載的增加而減小，說明在巖樣未破壞的衰減蠕變階段，隨著外載荷的增加，巖樣內部的微裂隙和孔隙被壓密閉合的程度越來越高;飽水狀態(tài)下的巖樣的相鄰荷載等級的T2譜面積和孔隙度變化率更高，說明飽水狀態(tài)下的巖樣內部細小缺陷更多，壓密閉合的空間更大，而且其抵抗壓力的力學能力較弱，對于相同外荷載變化的情況內部響應更加明顯。
　　(5)根據室內蠕變試驗所獲得的試驗數據，本文基于巖石流變力學理論引入非線性元件，建立

9、了一個能同時模擬衰減蠕變、定常蠕變和加速蠕變特征的新的巖石非線性粘彈塑蠕變模型。通過對模型參數的辨識，對各應力水平下巖樣單軸蠕變試驗數據進行處理，確定了該模型本構方程各參數的量值。從試驗曲線和模型曲線的高吻合程度可知，新建立的模型能很好的描述深部工程巖石的蠕變特性。
　　(6)通過蒙特卡洛法建立隨機分布的二維巖體裂隙網絡，結合Visual C++的編程功能產生能夠描述節(jié)理裂隙各種分布特征的隨機數，在ANSYS平臺上建立有限元模型，

10、然后根據已建立的力學模型，利用FLAC3D的蠕變計算模塊，應用fish語言完成本構模型的二次開發(fā)設計，對水巖損傷作用和巖石流變作用下金川二礦區(qū)深部巖體在不同支護條件下井巷圍巖塑性屈服狀態(tài)和圍巖松動圈的動態(tài)擴展進行了FLAC3D數值仿真分析。圍巖采用錨桿支護系統(tǒng)的巷道收斂變形量大幅降低;巖體中裂隙水的存在會進一步惡化圍巖環(huán)境，使得相同條件下巷道收斂變形量更大;錨桿長度是影響支護效果的主因，而錨固力對錨桿支護系統(tǒng)的錨固效果作用有限，錨桿長度