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《中国矿业大学(北京)》 2018年
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围岩试件(厚壁圆筒)模拟巷道开挖卸荷效应的试验研究

李小瑞  
【摘要】:近年来,随着岩石巷道(隧道)工程面临的地应力量级越来越大,巷道的稳定与维护越来越困难,对围岩-支护相互作用机理的认识提出了更高的要求。理论研究和工程实践表明,若要准确全面地认识围岩-支护相互作用机理,必须要掌握岩石和围岩在巷道(隧道)开挖卸荷条件下的变形和破坏机制,这是岩石地下工程亟待解决的基础性课题。为了探明巷道围岩在开挖卸荷条件下变形及破坏特性,论文首先构建成功了可以使用小型围岩试件(厚壁圆筒型)(高290 mm,外径200 mm,内径100~150mm)真实模拟与再现巷道开挖卸荷过程的试验系统。以此系统为基础,在模拟的开挖卸荷条件下,分别对有机玻璃、高强石膏、和天然砂岩这三种材料制成的小型围岩进行了一系列的试验,研究了巷道围岩的变形及破坏规律。首先对有机玻璃材料的试件进行了卸荷试验。有机玻璃是很好的弹塑性材料,在有机玻璃围岩试件的弹性阶段对其进行巷道开挖卸荷过程的模拟是为了探明巷道围岩在弹性阶段的卸荷响应是否与已成熟的围岩二次应力状态的弹性分析理论相一致,同时为了检验试验系统的可靠性及可行性。其次论文对高强石膏材料配制的小型围岩试件进行了瞬态和缓慢卸荷的模拟试验,因为高强石膏材料的脆性特征,又对其进行了开挖卸荷破坏过程的模拟。最后主要对天然砂岩材质的围岩试件进行了不同卸荷速率、不同开挖半径、不同初始围压以及高应力条件下的卸荷试验。分别对其不同卸荷条件下的巷道围岩变形及破坏特性进行了分析研究。同时对高强石膏与天然砂岩两种材质不同的围岩试件在不同卸荷速率下的响应作了对比分析。主要研究内容结论如下:(1)岩石巷道围岩开挖卸荷模型试验系统的集成研制了一套可以使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷路径的试验系统。该系统主要由三个独立的系统组成:(1)系统Ⅰ:SAM-3000型微机控制电液伺服岩石三轴试验系统;(2)系统Ⅱ:小型巷道围岩试件加、卸载腔;(3)系统Ⅲ:声波-声发射一体化测试系统。通过对这三个系统的集成与调试,实现了在实验室内模拟与再现巷道/隧道开挖卸荷的过程。获得了对围岩试件进行开挖卸荷试验的创新性监测方法与成套试验技术,该试验方法简便易行,模拟效果比较真实,具有广泛的实用性。(2)开挖卸荷条件下巷道围岩二次应力状态的弹性阶段分析通过对有机玻璃围岩试件开挖卸荷模拟试验的结果分析,监测到的围岩变形呈现弹性特征,且变形朝向洞内,围岩试件的内侧变形大于外侧,即离洞壁越近,围岩的变形越大。根据厚壁圆筒弹性阶段的应变理论求解知识,计算出有机玻璃围岩试件的围岩卸荷应变理论解并与试验结果进行对比分析。分析结果表明,试验结果可以与理论值很好的对应,且变化趋势相同,两者之间差值不大,理论值稍大于试验值。围岩二次应力状态弹性阶段的试验值与理论解的对比分析结果,验证了本文所构建的试验系统性能是稳定的,试验模拟方法是可行的,因此可用此系统进行巷道围岩开挖卸荷过程的模拟,在模拟的开挖卸荷条件下进行巷道围岩变形及破坏特性的分析。(3)卸围压速率对围岩卸荷变形及破坏特性的影响对高强石膏围岩试件与天然砂岩围岩试件分别进行了瞬态与缓慢开挖卸荷过程的模拟,并对两种不同材质的围岩卸荷变形进行了对比分析。在高强石膏围岩试件瞬态卸荷和缓慢卸荷时,围岩的轴向和切向基本都呈受压状态,部分测点出现拉压变化,且外侧轴向应变大于内侧,外侧切向应变小于内侧。卸荷量相同时,围岩的变形在缓慢卸荷时表现出弹塑性,在瞬态卸荷时表现为脆性。同一测点的切向应变在卸荷的任一时刻都大于轴向应变,切向应变对卸荷的反应相较于轴向更敏感。巷道围岩在卸荷破坏时切向应变先发生突变,破坏沿着径向方向即朝向洞内,破坏形态呈现为剪切破坏并伴随着竖向劈列。在天然砂岩围岩试件瞬态卸荷时,外侧的轴向和切向都受压,内侧切向受压轴向受拉,围岩试件对瞬态卸荷的反应不仅向洞壁内膨胀而且轴向也有膨胀的趋势。说明在实际巷道/隧道开挖工程中在用爆破法施工时,洞壁处的变形是向四周扩散膨胀的。在天然砂岩围岩试件缓慢卸荷时,轴向应变对卸荷过程的反映稍滞后于切向应变。从卸围压一开始切向应变就急剧增大,明显大于轴向应变增长速率,即表现为明显的侧向扩容。切向应变大约是轴向应变的10倍,表明在开挖卸荷过程中对围岩变形起主导作用的是切向应变。在卸荷的全过程中,外侧轴向应变大于内侧轴向应变,外侧切向应变小于内侧切向应变,说明小型围岩试件在卸荷过程中是向内扩展膨胀的。对于硬脆性较高的高强石膏材料,卸荷速率对围岩卸荷最后的变形值影响不大。而对于性能稳定材质均匀的天然砂岩材料,缓慢卸荷时,围岩卸荷变形可以充分释放,瞬态卸荷时,围岩卸荷变形小于缓慢卸荷时的变形,在卸荷结束后还会持续变形。(4)不同开挖内径对围岩卸荷变形及破坏特性的影响天然砂岩围岩试件在瞬态卸荷与缓慢卸荷时,不同开挖内径下的围岩卸荷变形随内压卸除的变化规律大致相同。围岩试件的内外侧应变都随开挖内径的增大而增大。说明在实际开挖工程中洞壁处的变形与围岩内沿径向某一点的变形随着开挖内径的增大即逐步向内开挖而逐渐增大。瞬态卸荷时,当内径为100 mm时,出现回弹变形。相同的初始围压,在内径为150 mm缓慢卸荷时围岩试件发生了破坏,而在瞬态卸荷时并没有发生破坏。围岩试件卸荷破坏时最先从试件的中部开始的,破坏时脆性特征明显,呈现很明显的沿卸荷方向的强烈扩容特征,围岩试件中部沿卸荷方向凸出呈鼓状,有掉块现象,并伴随有环向裂纹,围岩试件的卸荷屈服破坏呈现张拉破坏模式。利用FLAC3D5.0对天然砂岩围岩试件的瞬卸和缓慢卸荷过程进行了模拟,并与试验结果进行了对比分析。对比显示,试验值要比数值解大2~3倍,但呈现的变形规律是一样的。(5)不同初始围压对围岩卸荷变形及破坏特性的影响通过改变初始围压,而其他条件不变的情况下,得到初始围压对围岩卸荷变形的影响规律。相同的卸荷速率下,初始围压越大,卸荷结束点越靠后,即卸荷前围压越大,卸荷释放的能量越大,需更更多的卸荷步,变形就越大。随着初始围压的增大,围岩的卸荷变形越来越大,在实际工程中,原岩应力越高,巷道/隧道工程开挖中,围岩遇到的变形就越大,越容易出现破坏,需要的支护力越大。通过FLAC3D5.0对相同条件下的开挖卸荷过程进行模拟,得出的数值解与试验值对比,试验值较数值解要大,但两者呈现的规律相同都是随着初始围压的增大,围岩卸荷变形增大。(6)高应力条件下围岩卸荷变形及破坏特征的研究对高应力条件下内径为100 mm与125 mm的围岩试件进行了巷道/隧道开挖卸荷过程的模拟,内径大的围岩卸荷变形大,且同一内径条件下的内侧应变大于外侧应变。内径为125 mm时,发生了卸荷破坏现象,围岩试件破坏时内侧有层状剥离现象,且局部有掉块现象,围岩破坏时周边有很多的新生裂纹。由天然砂岩试件全部的卸荷破坏形态图可得出:初始围压越高,卸荷程度越强烈,岩体的破碎程度越高。卸荷破坏都具有沿卸荷方向的强烈扩容特征,主要表现为张拉破坏,都存在少量的平行于轴向加载的劈裂面,并伴随有环向裂纹。围岩试件的破坏形态随着围压的增高由脆性向延性进行了转化。通过FLAC3D5.0对相同高应力条件下的开挖卸荷过程进行了模拟,并与试验结果进行了对比,数值解的值虽小于试验值但呈现的规律相同。在内径为125mm的数值模拟中同样监测到了围压试件的卸荷破坏现象。
【学位授予单位】:中国矿业大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TD322

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