深埋洞室劈裂破壞形成機(jī)理的試驗(yàn)和理論研究.pdf

1、地下洞室群在開(kāi)挖時(shí)，洞室之間的巖柱往往會(huì)出現(xiàn)縱向的劈裂裂縫現(xiàn)象，這種裂縫對(duì)于洞室的穩(wěn)定性造成威脅。尤其對(duì)于處于大埋深、高地應(yīng)力的脆性圍巖中的地下洞室，開(kāi)挖時(shí)更容易發(fā)生這種裂紋，且通常會(huì)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(duì)這種現(xiàn)象展開(kāi)深入研究。本文以該現(xiàn)象為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，能量耗散理論分析以及數(shù)值計(jì)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(jī)理，取得了一系列有意義的研究成果。 試驗(yàn)方面，首先

2、對(duì)取自工程現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)巖石進(jìn)行了室內(nèi)單軸壓縮、常規(guī)三軸試驗(yàn)以及用體積應(yīng)變作為損傷變量的加卸載試驗(yàn)，測(cè)得了脆性巖石力學(xué)參數(shù)，并分析其強(qiáng)度特性。基于這些參數(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(lèi)巖石材料來(lái)模擬地下工程開(kāi)挖時(shí)巖柱的加載一卸載過(guò)程。試驗(yàn)采用自行研制的真三軸加卸載裝置，該裝置可有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的三向加載和卸載，較好的模擬了地下洞室因開(kāi)挖出現(xiàn)劈裂裂縫的過(guò)程。得出卸載使得巖柱內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生重分布，部分區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中。開(kāi)挖面附

3、近近似單軸受壓的受力特點(diǎn)使得試件出現(xiàn)了劈裂裂紋。 基于試驗(yàn)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(kāi)裂。分別推導(dǎo)得出了拉伸和壓縮應(yīng)力作用下，裂紋擴(kuò)展所需的能量的表達(dá)式。結(jié)合試驗(yàn)室加卸載試驗(yàn)分析，得出脆性巖石中裂紋擴(kuò)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(kuò)展形成劈裂破壞的細(xì)觀(guān)能量模型。 通過(guò)壓縮試驗(yàn)獲得的脆性巖石的全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，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(gè)階段即：壓密、彈性、微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展、裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展和峰后失穩(wěn)等。并得出隨著加載的進(jìn)行，脆性巖石內(nèi)部會(huì)同時(shí)引起粘聚力和摩擦力的改變。 基于斷裂力學(xué)理論，采用簡(jiǎn)化的直線(xiàn)型滑移裂紋組進(jìn)行分析，得出了微小裂紋擴(kuò)展貫通形成縱向劈裂裂縫的臨界長(zhǎng)度、間距和應(yīng)力。劈裂裂縫將巖柱分割成為多個(gè)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(lèi)似于彈性力學(xué)理論中的薄板壓曲問(wèn)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(guān)劈裂裂縫之后，巖柱失穩(wěn)破壞的機(jī)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(jì)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(yàn)裂紋密度公式和圍巖位移的預(yù)測(cè)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(guò)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(gè)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