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静动态荷载下节理化岩体硐室围岩破坏机制及其稳定性与控制研究

李鹏  
【摘要】:地下空间开发和利用是人类社会发展、经济建设以及国家安全战略需求的必然选择。岩体作为一种非线性、非连续性、非均质性和各向异性的天然地质体,经过漫长的地质作用后其内部随机分布有不同尺度的节理、裂隙、软弱夹层和断层等不连续结构面。地下硐室通常建在含有复杂节理形态的岩体中,节理的存在会严重劣化硐室围岩的完整性和承载能力,导致硐室受扰动后容易发生失稳破坏,同时也会改变硐室围岩中的应力分布模式,导致硐室围岩产生不同的破坏模式,增加了硐室围岩体力学响应行为的复杂性和难预测性。因此,节理岩体中硐室围岩的力学响应行为、稳定性及其控制问题已成为岩石力学领域重点关注和亟待解决的关键科学问题之一。本文从地下工程中节理化岩体硐室围岩稳定性及其控制这一关键科学问题出发,基于物理模拟试验方法,结合声发射监测、数字图像相关方法等技术手段系统地研究了完整岩体硐室围岩和节理化岩体硐室围岩(含平行节理岩体硐室围岩、含交叉节理岩体硐室围岩)在静态荷载作用下的静态力学特性、能量演化与分配规律、声发射性能变异细观机理、渐进式失稳破坏演化过程及其机制,对比分析了平行和交叉节理角度对上述研究对象的影响。在此基础上,进一步探究了完整岩体硐室围岩和节理化岩体硐室围岩在不同冲击气压下的动态力学特性、应力波波动特性、能量耗散特征和突发式失稳破坏机制,对比分析了平行和交叉节理角度对上述研究对象的影响,并与静载下的力学响应行为进行了比较。最后,采用离散元数值模拟方法研究了山东三山岛金矿节理化岩体巷道围岩在不同工况下的冲击失稳破坏特征,分析了巷道围岩的失稳破坏机制,并提出了相应的失稳控制理论及技术措施。取得的主要研究成果如下:(1)研究了完整岩体硐室围岩、含平行节理岩体硐室围岩和含交叉节理岩体硐室围岩在静态荷载作用下的强度和变形特性及其各向异性特征,揭示了节理化岩体硐室围岩强度和变形参数随节理角度的变化规律。此外,基于岩石能量原理研究了节理化岩体硐室围岩在变形破坏过程中的总能量、弹性应变能及耗散能的演化过程及规律,分析了平行和交叉节理角度对储能能力、耗能及能量分配的影响,并基于弹性耗能比建立了节理化岩体硐室围岩失稳破坏能量判据,揭示了节理化岩体硐室围岩损伤破坏能量机制。结果表明,节理化岩体硐室围岩的三种能量变化曲线出现“台阶”状渐进突变。节理的存在削弱了硐室围岩的储能能力,节理数量的增加降低了硐室围岩的能量积聚效率。弹性能耗比的连续突变可作为节理化岩体硐室围岩裂纹萌生和扩展的判据,随后的急剧突变可作为其失稳破坏的判据。(2)基于声发射(AE)监测技术系统地研究了完整岩体硐室围岩、含平行节理岩体硐室围岩和含交叉节理岩体硐室围岩在变形破坏过程中AE时序参数(AE事件率、累积事件数、能率、累积能量和b值)和频域参数(AE频率、幅值)的变异性特征,并分析了不同AE参数之间的相互关系及节理角度对AE参数演化特征的影响,探讨了可用于节理化岩体硐室围岩破坏前兆信息识别的AE参数,揭示了节理化岩体硐室围岩AE性能变异的细观机理。结果表明,不同AE参数的演变特征不同,均存在硐室围岩破坏前兆。节理化岩体硐室围岩的AE事件率峰值和AE能量释放最集中阶段并不一定出现在应力峰值处,破坏时的AE事件率下降明显,AE能量均出现了加速释放现象,存在临界能量释放。b值一般在0.1~0.9之间波动,总体呈下降趋势,临近破坏前快速下降。低频高幅值和高频低幅值信号对节理化岩体硐室围岩受力状态变化较为敏感,可作为其破坏预测的主要信号源。(3)结合数字图像相关方法研究了完整岩体硐室围岩、含平行节理岩体硐室围岩和含交叉节理岩体硐室围岩在静态荷载下的变形破坏过程,从定量和定性角度分析了含不同节理角度的节理化岩体硐室围岩的变形场演化规律以及裂纹起裂、扩展和聚结规律,揭示了节理化岩体硐室围岩渐进式失稳破坏机制。结果表明,局部变形集中现象是节理化岩体硐室围岩内部微裂纹萌生和扩展活动的宏观表现,局部变形集中带的演化是显著的非线性过程。节理的存在改变了硐室围岩中的应力分布模式,节理尖端和硐室周围往往会形成高应力集中,二者相互作用,共同主导新裂纹的起裂和扩展模式。平行和交叉节理角度的改变对新裂纹的起裂位置和扩展路径产生不同程度的影响。同组交叉节理尖端之间相互作用形成贯通裂纹,导致含交叉节理岩体硐室围岩变形场的演化模式相对较复杂,破坏程度也相对较高。节理化岩体硐室围岩的不稳定破坏主要是由硐室和节理尖端引发的拉伸裂纹造成的,以拉伸破坏为主,局部出现剪切破坏。节理化岩体硐室围岩在变形破坏过程中出现了两种典型类型的白色斑块(线性和扩散性白色斑块),微裂纹成核被认为是白色斑块的微观形成机制。(4)采用分离式霍普金森压杆装置研究了不同冲击气压下完整岩体硐室围岩、含平行节理岩体硐室围岩和含交叉节理岩体硐室围岩的动态力学特性、波动特性、能量耗散特征及裂纹扩展规律,揭示了节理化岩体硐室围岩的突发式失稳破坏机制。结果表明,在相同冲击气压下,动态抗压强度和弹性模量随着节理角度的增加整体呈先减小后增大的变化趋势,动态抗压强度随冲击气压的增加呈增大趋势。动态抗压强度和弹性模量显著大于相应的静态抗压强度和弹性模量。入射波幅与冲击气压大小呈正相关关系,透射波幅均小于入射波幅。在相同冲击气压下,透射波幅随平行和交叉节理角度的增加先减小后增加,反射波幅的变化趋势与透射波幅大致相反。平行和交叉节理角度和冲击气压大小对透射能量比、反射能量比和吸收能量比的变化影响显著,透射能量比随平行和交叉节理角度的增加先减小后增大,反射能量比和吸收能量比随节理角度的增加先增大后减小。节理化岩体硐室围岩中节理角度不变时,透射能量比和吸收能量比随冲击气压的增加呈整体增大趋势,而反射能量比随冲击气压的增加呈减小趋势。在冲击荷载下,节理化岩体硐室围岩一般先在靠近透射杆端的硐室周边和(或)节理尖端附近出现平行于加载方向的拉伸裂纹白色斑块,然后逐渐演化为宏观拉伸裂纹,最终发生整体拉伸破坏。节理化岩体硐室围岩破坏形态具有显著的应变率效应和节理结构效应。(5)以典型的山东三山岛金矿地下深部巷道为工程背景,采用三维离散元软件3DEC建立了考虑实际地应力状态和优势结构面空间分布的节理化岩体巷道数值模型,研究了节理化岩体巷道围岩受到冲击扰动时的失稳破坏特征。然后,进一步分析了不同埋深、冲击应力波峰值及冲击应力波延时条件下的节理化岩体巷道围岩变形、失稳破坏特征,并比较了各因素对节理化岩体巷道围岩稳定性的影响规律。结果表明,随着冲击应力波作用时间的增加,巷道两帮和顶底板的位移均逐渐增大,巷道两帮的损伤程度比顶底板的损伤程度大,变形破坏更严重。紧邻巷道顶底板和两帮临空面的较小范围内主要发生拉伸-剪切破坏,局部发生拉伸破坏,在此范围以外区域主要是沿节理面发生剪切破坏。埋深和应力波峰值对节理化岩体巷道围岩的动力稳定性影响较大,随着巷道埋深/应力波峰值的增加,节理化岩体巷道两帮向内挤压变形量、顶板下沉量及底板底鼓量均逐渐增大,破坏程度加剧。应力波延时对节理化岩体巷道围岩的动力稳定性影响相对较小,但较复杂。(6)根据物理模拟试验和数值计算结果,探讨了节理化岩体巷道围岩的失稳破坏机制及失稳控制措施。提出了基于“固结围岩节理、提高围岩强度、恢复改善应力状态、减弱动力扰动源强度”的节理化岩体硐室围岩失稳控制理论,构建了“注浆加固+全断面锚(网)喷联合支护+局部加强支护+构筑冲击缓冲结构+减小工程爆破扰动”的失稳控制技术措施。


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