加卸荷條件下巖體宏細(xì)觀破壞機(jī)理的試驗與理論研究.pdf

1、隨著我國水利水電建設(shè)、資源開發(fā)和鐵路交通的發(fā)展，遇到了大量的巖體高邊坡、地下隧洞等工程開挖問題，其工程設(shè)計、施工、運營、穩(wěn)定性等都直接依賴于巖體的強度、變形及破壞等特性。地下工程開挖是一個復(fù)雜的加、卸荷過程，而卸荷條件下巖體的力學(xué)特性、變形特征、本構(gòu)方程等都與加荷條件下有很大的差異，因此，應(yīng)用現(xiàn)行加荷巖體力學(xué)理論和方法研究地下工程的圍巖破壞機(jī)理是不完全正確的。本文采用與隧洞真實開挖路徑相一致的試驗與模擬方法，從宏觀和細(xì)觀角度研究加、卸荷

2、條件下巖體的力學(xué)特性、變形及破壞機(jī)理，探討卸荷條件下的圍巖穩(wěn)定性分析方法和巖爆發(fā)生機(jī)理，為認(rèn)識與把握開挖卸荷條件下的巖體失穩(wěn)破裂機(jī)理提供依據(jù)。論文主要取得以下研究成果:
　　 (1)通過系統(tǒng)的不同應(yīng)力路徑下的完整巖樣加、卸荷試驗，研究了不同卸荷速度下巖石的變形、破壞特征及強度參數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明:加荷階段軸向應(yīng)變起主導(dǎo)作用，卸荷階段環(huán)向應(yīng)變起主導(dǎo)作用;卸圍壓過程中，彈性模量與圍壓呈非線性關(guān)系降低，泊松比與圍壓呈非線性關(guān)系增加;

3、在相同的初始高圍壓下，軸向應(yīng)變的回彈值和環(huán)向應(yīng)變的突跳值會隨著卸荷速度的提高而增加，而在相同的初始低圍壓下卻表現(xiàn)出相反的規(guī)律;巖樣破壞特征分為:主剪切、共扼剪切、劈裂加剪切三種，并且與卸荷初始的圍壓值與卸荷速度密切相關(guān);卸荷條件下巖樣粘聚力c是降低的，內(nèi)摩擦角φ是提高的;基于試驗認(rèn)識，采用統(tǒng)計分析方法，建立了一個能夠反映卸荷特征的巖石本構(gòu)模型，模型結(jié)果和試驗曲線吻合較好。
　　 (2)通過對含天然節(jié)理巖樣加、卸荷試驗研究，揭示了

4、加、卸荷條件下含天然節(jié)理巖樣的變形、破壞特征及強度參數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明:含天然節(jié)理巖樣加、卸荷條件下的破壞形式分為兩種，穿切節(jié)理面破壞和沿節(jié)理面破壞，穿切節(jié)理面破壞巖樣的變形及強度參數(shù)特點與完整巖樣的變形及強度參數(shù)特點相同;對加荷而言，夾角小于40°的巖樣為穿切節(jié)理面破壞，夾角大于40°的巖樣為沿節(jié)理面破壞;對卸荷而言，夾角小于35°的巖樣為沿節(jié)理面破壞，夾角大于35°的巖樣破壞規(guī)律不明顯;在相同的加、卸荷條件下，沿節(jié)理面破壞巖樣的強

5、度明顯低于穿切節(jié)理面破壞巖樣的強度;卸荷破壞中，沿節(jié)理面破壞巖樣卸荷開始后軸向應(yīng)變出現(xiàn)加速發(fā)展趨勢，彈性模量降低，泊松比增加。
　　 (3)基于大量室內(nèi)試驗，利用離散元程序PFC2D，通過FISH語言編程，實現(xiàn)了加、卸條件下完整巖樣和含節(jié)理巖樣破壞過程的細(xì)觀數(shù)值模擬，研究了加、卸條件下巖樣破壞過程中裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展與貫通過程。結(jié)果表明:完整巖樣加、卸荷破壞過程分為4個階段，分別為線彈性階段、裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展階段、裂紋定向擴(kuò)展階段、

6、裂紋沿剪切帶貫通階段;含節(jié)理巖樣加、卸荷破壞過程分為3個階段，分別為線彈性階段、裂紋產(chǎn)生并沿節(jié)理方向擴(kuò)展階段、裂紋沿節(jié)理面貫通階段;與完整巖樣相比，在相同的應(yīng)力路徑下，含節(jié)理巖樣破壞的計算時間縮短，峰值強度降低，峰值應(yīng)變增大，說明節(jié)理巖體更容易發(fā)生破壞;與加荷相比，同種巖樣的卸荷破壞計算時間更短，峰值強度更低，峰值應(yīng)變減小，說明卸荷容易導(dǎo)致巖體發(fā)生突發(fā)性脆性破壞;
　　 (4)分別采用解析法和二分法改進(jìn)的有限元強度折減法對考慮開

7、挖卸荷的隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出隧洞安全系數(shù)的概念。解析法基于卸荷巖石本構(gòu)模型，推導(dǎo)了圍巖軟化區(qū)、硬化區(qū)、彈性區(qū)及襯砌內(nèi)任一點的應(yīng)力和位移解析公式;利用二分法改進(jìn)的有限元強度折減法對不考慮開挖卸荷和考慮開挖卸荷的圍巖穩(wěn)定性分析計算，可以確定隧洞的破壞面和安全系數(shù)，評價隧洞的穩(wěn)定性;不考慮開挖卸荷的安全系數(shù)比考慮開挖卸荷的安全系數(shù)要高，不考慮開挖卸荷的圍巖穩(wěn)定性分析在實際工程中是偏于不安全的。
　　 (5)采用卸荷三軸試驗的方

8、法來探討巖爆問題，從定性與定量的角度對巖爆進(jìn)行研究?；谛逗稍囼瀾?yīng)力一應(yīng)變曲線，按能量守恒原理推導(dǎo)了兩體系統(tǒng)的平衡方程，建立了兩體系統(tǒng)動力失穩(wěn)問題的折迭突變模型，給出了巖體動力失穩(wěn)問題的一般方程，得到了系統(tǒng)失穩(wěn)前后的變形突跳值和系統(tǒng)能量釋放的一般表達(dá)式;探討性地提出應(yīng)力差強度比巖爆判據(jù)，結(jié)合有限元方法分析了不考慮開挖卸荷和考慮開挖卸荷的不同形狀的隧洞巖爆級別，應(yīng)力差強度比巖爆判據(jù)的巖爆級別比應(yīng)力強度比巖爆判據(jù)的巖爆級別低一級，不考慮開挖