动静载荷与渗透水压作用下裂隙岩体断裂机理研究

【摘要】摘要：为研究地下工程岩体受到爆破等动力扰动后突水的力学行为,开展了动静载荷和渗透水压作用的裂隙岩体破坏的理论研究、试验研究、声发射监测、数值模拟和工程实测。通过理论探讨与试验研究,分析了动静载荷与渗透水压共同作用下压剪岩石裂纹起裂规律——裂纹尖端应力强度因子的演化规律,得出裂纹尖端应力强度因子的主要影响因素有渗透水压、动载荷、静应力及裂纹倾角等。渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着渗透水压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展；与最大主应力方向一致的动载荷增加了Ⅰ型裂纹尖端强度因子,对Ⅱ型裂纹尖端强度因子的影响视裂纹倾角及材料属性而定；裂纹起裂角因动载荷的变化而改变。针对Ⅰ型裂纹动态断裂,推导出裂纹初始起裂角为70.5。。压剪岩石裂纹初始起裂强度与渗透水压、围压、动载荷相关。试验结果验证裂纹初始起裂强度随围压增大而增大,随渗透水压增大而减小。研制了渗透水压加载装置,对含裂纹类岩石材料的混凝土试样加载预应力后,进行有渗透水压作用和无渗透水压作用下单轴循环加卸载压缩破坏对比试验。试验结果表明,在试样弹性阶段加载有限次循环载荷有助于类岩石材料的强化；在有渗透水压作用下,单轴循环加卸载后岩石的强度降低,降低的程度与循环载荷加载时预应力的大小有关,在弹性阶段加载循环载荷的岩石强度高于在损伤阶段加载循环载荷的岩石强度,而且在渗透水压作用下岩石的应变大于无渗透水压作用下岩石的应变。具有岩爆倾向性岩石可以通过加载、卸载产生损伤以降低其岩爆倾向性,同时低渗透水压的作用可使岩爆降低程度更剧。为研究地应力与渗透水压耦合作用下的深部裂隙岩体受到爆破等动力扰动过程中声发射特征,对含裂纹类岩石材料的混凝土试样加载预应力后进行有渗透水压作用和无渗透水压作用下单轴循环加卸载压缩破坏对比试验,并采用声发射测试分析系统对其整个过程进行监测。分析数据发现,有渗透水压作用和无渗透水压作用下试样产生的声发射有很大的区别：在其弹性阶段加载循环载荷过程中,有渗透水压作用的岩石声发射能量较大,而无水压作用的岩石几乎没有声发射能量产生；在其损伤阶段加载循环载荷过程中,有渗透水压作用的岩石声发射能量较无水压作用的岩石大得多。同时发现,循环载荷作用时有渗透水压参与下,含裂纹类岩石材料的混凝土试样在较低应力水平和较高应力水平都有声发射事件产生,通过理论分析认为两者产生的机理不同：较低应力水平下,岩石内部出现拉应力,导致其损伤产生声发射；而在较高应力水平下,岩石内部压应力很大,使其损伤而产生声发射。为了更好地观察裂纹启裂、扩展、破坏等过程,以阐述含裂纹岩石压缩破坏机理,采用RFPA2D计算软件模拟再现试验过程。通过计算模拟单轴压缩载荷作用下含一条裂纹岩石破坏过程,发现含一条裂纹的试件的抗压强度与裂纹倾角、有无渗透水压作用有很大关系。随着裂纹倾角从0°增大到90°,试件抗压强度先减小再增大。当裂纹倾角为45°时,试件的抗压强度最小；裂纹的启裂强度也是如此。有渗透水压作用的试件抗压强度要低于无渗透水压作用的试件。通过计算模拟单轴压缩下两条平行裂纹的破坏过程,发现在纯应力场中两条平行裂纹启裂先后顺序存在随机性；而对于渗流场中两条平行裂纹,有渗透水压作用的裂纹先启裂。通过计算模拟单轴压缩下两条不平行裂纹的破坏过程,发现在纯应力场中两条不平行裂纹启裂先后顺序和裂纹倾角有关系；同时发现渗透水进入裂纹的先后顺序影响岩体的强度。为了验证实验室加载试验和数值模拟结论的真实性,对大冶铁矿尖林山采区进行生产爆破震动下渗水巷道围岩松动圈测试。测试过程发现,爆破震动致使围岩内部裂隙启裂、发展,裂隙密度增大,降低了岩体声波波速,导致围岩松动圈扩大。同时现场观察到爆破震动致使裂隙发展、连通,形成水体通路,导致地表水灌入地下。利用RFPA2D计算软件模拟爆破震动下渗水巷道的力学反应,发现在渗透水压、地应力及循环载荷作用下,巷道围岩内部裂纹逐渐启裂、扩展、贯通,且裂隙范围扩大,围岩松动圈不断扩展,与工程实测结论一致；同时发现在渗透水压作用下,部分裂纹周边出现张拉应力,从而导致该部分裂纹更易产生拉剪破裂,与室内实验结论一致。
【作者】周志华；
【导师】曹平；
【作者基本信息】中南大学，采矿工程，2014，博士
【关键词】动静载荷；渗透水压；单轴循环载荷；应力强度因子；裂纹起裂；声发射；

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