深埋洞室劈裂破壞形成機理的試驗和理論研究.pdf

1、地下洞室群在開挖時，洞室之間的巖柱往往會出現(xiàn)縱向的劈裂裂縫現(xiàn)象，這種裂縫對于洞室的穩(wěn)定性造成威脅。尤其對于處于大埋深、高地應(yīng)力的脆性圍巖中的地下洞室，開挖時更容易發(fā)生這種裂紋，且通常會有更為劇烈的脆性變形破壞發(fā)生，如巖爆等。少有學(xué)者針對這種現(xiàn)象展開深入研究。本文以該現(xiàn)象為研究對象，通過實驗室模擬試驗，能量耗散理論分析以及數(shù)值計算分析等手段，深入地研究和探討了劈裂裂縫的形成條件與機理，取得了一系列有意義的研究成果。 試驗方面，首先

2、對取自工程現(xiàn)場的真實巖石進行了室內(nèi)單軸壓縮、常規(guī)三軸試驗以及用體積應(yīng)變作為損傷變量的加卸載試驗，測得了脆性巖石力學(xué)參數(shù)，并分析其強度特性?；谶@些參數(shù)，選定了一定配比的水泥砂漿材料作為模擬脆性巖石的類巖石材料來模擬地下工程開挖時巖柱的加載一卸載過程。試驗采用自行研制的真三軸加卸載裝置，該裝置可有效的實現(xiàn)對試件的三向加載和卸載，較好的模擬了地下洞室因開挖出現(xiàn)劈裂裂縫的過程。得出卸載使得巖柱內(nèi)應(yīng)力場發(fā)生重分布，部分區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中。開挖面附

3、近近似單軸受壓的受力特點使得試件出現(xiàn)了劈裂裂紋。 基于試驗結(jié)果，從能量耗散理論出發(fā)，認(rèn)為卸荷引起彈性能釋放用于克服裂紋的表面能，引起裂紋開裂。分別推導(dǎo)得出了拉伸和壓縮應(yīng)力作用下，裂紋擴展所需的能量的表達(dá)式。結(jié)合試驗室加卸載試驗分析，得出脆性巖石中裂紋擴展受到顆粒粒徑的影響的結(jié)論，并據(jù)此建立了沿顆粒粒徑擴展形成劈裂破壞的細(xì)觀能量模型。 通過壓縮試驗獲得的脆性巖石的全應(yīng)力應(yīng)變曲線，利用體積變量和裂紋體積變量等損傷變量分析得出

4、裂紋發(fā)展的五個階段即：壓密、彈性、微裂紋穩(wěn)定擴展、裂紋非穩(wěn)定擴展和峰后失穩(wěn)等。并得出隨著加載的進行，脆性巖石內(nèi)部會同時引起粘聚力和摩擦力的改變。 基于斷裂力學(xué)理論，采用簡化的直線型滑移裂紋組進行分析，得出了微小裂紋擴展貫通形成縱向劈裂裂縫的臨界長度、間距和應(yīng)力。劈裂裂縫將巖柱分割成為多個厚度很小的巖板，在軸向壓縮荷載的作用下，其受力狀態(tài)類似于彈性力學(xué)理論中的薄板壓曲問題。借鑒薄板壓曲的相關(guān)理論，結(jié)合能量耗散分析方法，研究了出現(xiàn)宏

5、觀劈裂裂縫之后，巖柱失穩(wěn)破壞的機理，得到了巖板發(fā)生壓曲破壞的臨界荷載，并且推導(dǎo)得出了劈裂裂縫條數(shù)的計算公式。 根據(jù)前述工作，提出了劈裂破壞的穩(wěn)定性判據(jù)、經(jīng)驗裂紋密度公式和圍巖位移的預(yù)測分析方法。 基于本文所提出的能量方法，結(jié)合數(shù)值軟件FLAC，通過記錄單元發(fā)生脆性破壞前后的彈性能密度差，得到單位體積巖體突然釋放的彈性能量，最終獲得整個洞室圍巖的總能量耗散值。據(jù)此，可以有效判斷圍巖的破壞區(qū)域，為洞室穩(wěn)定性提供判別依據(jù)。并利