高應力高水壓下砂巖加卸荷力學特性及其對深埋隧道穩(wěn)定性影響研究.pdf

1、隨著我國交通、大型水電工程的大力建設，煤礦資源的縱深開采，高應力高水壓條件下的地下工程安全施工問題日益突出。在高應力高水壓作用下巖石的力學性質與淺層有較大不同。此外，深部地下工程開挖產生的卸荷效應與常規(guī)加載也有較大區(qū)別，而相關研究稍顯欠缺?；诖?，本文在前人研究的基礎上，采用室內試驗、理論分析和數值模擬相結合的方法，系統(tǒng)的研究了砂巖在高應力高水壓作用下的卸荷力學特性、滲流特性、能量轉化效應等，在此基礎上推導了本構模型，并將建立的卸荷本構

2、模型進行FLAC3D二次開發(fā)，對依托工程展開了數值研究，主要研究內容和成果如下：
　?、倮谩皫r石多場耦合三軸儀”對砂巖進行了自然與飽和狀態(tài)下的單軸、三軸壓縮試驗，并對高應力高水壓下砂巖加、卸載三軸試驗的力學特性等展開研究等。試驗結果表明：在同一初始圍壓條件下，初始卸荷水平越高，圍壓降低的越小，巖樣達到破壞所經歷的卸圍壓過程越短。隨初始卸荷水平的提高，粘聚力 c呈指數關系增長，摩擦角?呈多項式關系減小。卸圍壓的兩個階段，側向應變增

3、量3??都比軸向應變增量1??大，表現為明顯的側向擴容。擴容指標Id與圍壓呈冪函數型關系，與初始卸荷水平呈二次函數關系。
　?、趯τ诟邞Ω咚畨合碌娜S卸荷試驗，初始卸荷水平n一定時，隨著水壓p的增加，卸荷極限強度的降低呈現先快后慢的規(guī)律，巖樣更容易發(fā)生破壞，脆性特征更明顯，損傷變量ω也呈增加趨勢；當水壓p一定時，隨著n的增大，卸荷極限強度線性增大，統(tǒng)一圍壓降參數?線性降低，損傷變量ω也減少，且n從0.9到1的過程中，ω降低更明顯

4、。綜合初始卸荷水平n和水壓p的影響，對摩擦角和粘聚力進行了二元函數擬合，利用該擬合公式可以預測不同n、p條件下的粘聚力和摩擦角的值，有一定工程意義。并基于試驗結果的分析，對不同n、p作用下的砂巖Mohr-Coulomb準則表達式進行了修正。
　?、刍诟邞Ω咚畨合律皫r的三軸加載試驗結果，提出了一種加載條件下砂巖改進的Duncan-Chang本構模型，并對該模型的參數m、n進行了敏感性分析，利用砂巖的三軸壓縮試驗結果對改進Dunc

5、an-Chang本構模型進行了合理性驗證。
　?、軓氖覂热S卸荷試驗出發(fā)，基于修正的莫爾-庫倫強度準則，建立了符合卸荷條件下的四線性彈塑性模型，并分段建立了適應的本構關系。且綜合分析水壓p和初始卸荷水平 n對屈服準則參數的影響，并對其進行二元函數式分析。最后利用卸荷條件下的試驗結果與理論模型進行了驗證，發(fā)現與試驗結果吻合良好。
　?、萃茖Я松皫r卸荷條件下非線性彈塑性本構模型的表達式，依托FLAC3D軟件良好的二次開發(fā)平臺條件