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《北京科技大学》 2020年 博士论文
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考虑岩体非线弹性的深部地应力测量方法研究

张亦海  
【摘要】:地应力是地下岩体工程的基本荷载条件,也是地下岩体工程稳定安全分析中必须考虑的重要因素,对地下工程建设的设计和施工具有指导意义。目前基于岩体线弹性假设为前提的地应力测量理论在深部岩体地应力测量中产生了较大偏差,本文在研究了现有空心包体应力解除法测量理论基础上,分析了深部岩体在高应力状态下非线弹性变形特性,改进标定了适用于深部解除法试验方法与技术,提出了一种考虑应力解除过程的原岩应力分段叠加算法,同时对现有空心包体应变计在探头结构、胶结材料、采集方式等方面进行了优化,提高了测量的精确性、便捷性、稳定性。主要研究内容如下:(1)对山东黄金集团莱州三山岛金矿及甘肃金川集团镍矿二矿区埋深800m和1000m深部花岗岩进行花岗岩单轴、三轴静态力学加载试验。针对深部花岗岩试件结晶颗粒大,节理裂隙发育,不同试件之间差异较大等特性,设计了同一试件在多个围压下的三轴阶梯加载试验,通过分析同一岩样在围压1OMPa、30MPa、50MPa下弹性变形段应力-应变数据,建立了体应力与变形模量之间的非线弹性模型,模型中包含三个物理参量a、b、K0(c、d、Go),并具有明确的物理含义。(2)针对现行围压率定试验装置最大压力值无法满足模拟深部岩体所受原岩应力大小的现状,研发了基于液压油自密封原理的多尺寸岩芯通用型高围压率定装置和高压长效加载率定系统,该装置由加载系统、高压舱体、多口径适用型盖板、高强度自密封皮套等部分组成,实现了最大径向压力达100MPa和60MPa下长期保载2个月的性能。(3)应用高围压加卸载试验技术,进行了深部解除岩芯高压率定试验研究,将提出的非线性模型引入到原岩应力计算参数的增量公式中,推导出解除岩芯所受平均应力与应变之间的关系公式,提出了非线性岩体地应力测量的围压率定修正方法。(4)在岩芯解除过程中温度变化对应变测量结果引起的误差是不可忽略的,在蔡美峰院士发明的温度补偿空心包体应变计研究的基础上,提出了对测量应变片和采集电路进行双温度补偿修正解除应变值,尽可能的减小应变片和采集电路因温度变化而产生的测量误差。三山岛金矿-795水平深部花岗岩无线式空心包体应变计解除岩芯,采用温度补偿算法计算的热敏通道(T1)数据从424με修正为359με,修正量为15%,采用双温度补偿算法后,各测量通道补偿修正值在10~23με。解除过程中测点温度变化约在3℃左右,变化规律符合空心包体解除应变曲线特征。(5)为了消除空心包体应变计与岩壁之间有几毫米左右的环氧树脂胶对所测地应力结果的影响,计算公式中引入四个k系数。讨论了岩芯所受平均应力从0到30MPa时k1、k2、k3、k4系数变化取值,分别为1.021到1.163,0.967到1.140,0.738到0.788,1.944到1.132。若按分段取值方法确定,则对计算时引起的最大误差为8.14%,10.27%,4.06%,11.84%,若采取每段都是按相同值计算引起的最大误差为11.34%,13.01%,5.48%,18.1%,因此采用分段取值方式确定k系数有助于提高地应力计算精度。(6)基于深部岩体非线性特征分析,提出了一种考虑应力解除过程的原岩应力分段叠加算法,消除了传统计算方法中线性拟合计算参数所带来的误差。算法中每个阶段的应变计算值是应变计探头最小时间间隔所采集解除应变值,上一阶段的原岩应力计算值用于下一阶段K和G参数代入计算获取,初始计算参数为完全解除状态时的K0和G0。(7)在三山岛金矿-795水平原位地应力反演计算中,应用分段叠加算法和传统算法分别进行对比计算,结果表明:通过考虑深部岩石高应力加载状态下非线性变形特征,应用双温度补偿技术修正解除应变,采用分段取值方法确定k系数等方面提高了应力分量计算精度,所提出的分段叠加算法计算的原岩应力平均值比传统算法计算值大19%,且两种算法计算的三个主应力方向和倾角基本一致。


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