深部大理岩力学特性及声发射特征研究

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针对我国大型水电地下洞室工程建设的不同力学响应及岩爆灾害频发等问题,本文依托锦屏二级辅引#1施工支洞2400m埋深的深部大理岩在不同围压下的加、卸荷破坏过程,综合运用理论分析、室内力学试验、声发射测试技术等研究手段,展开深部大理岩的力学变形特征及声发射特性等宏细观变化规律分析。通过对不同围压下深部大理岩的加、卸荷变形破坏差异对比,全面揭示深部地下工程建设过程中岩石的变形破坏机理;基于力学及声发射理论,建立深部岩石不同围压下的加、卸荷变形破坏损伤演化模型,深入系统地探究不同围压下深部岩石的损伤破裂规律,以期更好地为深部地下工程高效开挖、岩爆预防、围岩支护等工程问题提供理论支持。本文主要取得的研究成果如下:(1)获取了0、25、50、80、100MPa五种围压下深部大理岩加、卸载状态下的力学变形性质,指出深部大理岩强度变形特性具有显著的围压效应,加、卸载作用下深部大理岩随着围压增大,加、卸载峰值强度逐渐增大,且增大速率逐渐减小;延性特征围压越大越显著。加载状态下深部大理岩表现脆-塑性转化,当围压达到100MPa时,深部大理岩达到峰值时强度并未明显降低,接近理想塑性状态;卸载状态下,深部大理岩具有显著的脆性破坏特征。(2)深部大理岩在不同加、卸载状态的变形破坏均以扩容变形为主导,随着围压增大,扩容应力越大;然而不同加、卸载状态下深部大理岩破坏面数量不同,变形破坏模式、破坏形态存在差异。单轴加载状态下具有多个破坏断面,三轴加载状态为单一破坏面,而卸载状态多具有多个破坏断面;但随着围压增大,各状态破坏面越少且越为光滑。深部大理岩破坏模式在单轴状态为张拉为主的拉剪复合型破坏模式,三轴加载状态为剪切破坏,卸载状态为以剪切为主、张拉为辅的拉剪破坏;随围压增大,各状态下的剪切破坏越显著。深部大理岩破坏形态在单轴状态其破坏体具有较多碎片,随着围压增大,碎片越少;相同初始围压下,卸载作用下深部大理岩的破裂形态更为严重、破坏面较多,说明卸围压作用加剧了岩石的破坏。(3)基于深部大理岩加、卸载强度及变形特征,结合岩石力学强度理论分析手段,分别对深部大理岩加、卸载状态下强度准则适用性进行评估。通过预测强度与实测强度的对比分析,指出线性莫尔库伦准则相较更适用于岩石低围压状态,而在高围压状态下,双曲线型强度准则适用性更强;双曲线型强度准则评估具有较高的吻合度,绝对误差较小,能够精确反映出深部岩石随围压变化的非线性特征。(4)获取锦屏2400m深部大理岩不同围压下的加、卸荷声发射变化规律,围绕声发射振铃计数、时空分布和RA值三个声发射指标展开分析,发现声发射信号特征可以较好地匹配深部大理岩变形破坏全过程的阶段性特征。单轴状态深部大理岩声发射现象均匀分布于加载全过程;三轴加载状态随着围压增大,深部大理岩声发射频发期出现越迟,累计振铃计数越少,说明围压越大其抑制变形的能力越强;三轴加载状态下峰前声发射处于平静期,且随着围压增大平静期越长。与三轴加载相比,卸载作用下深部大理岩声发射现象较少,且三轴加载下声发射活动在峰后较为活跃,而卸载试验下则是集中于峰值处且数量较少,反映了卸荷状态下深部大理岩突发性破坏的特征。(5)基于声发射空间分布和RA值展开深部大理岩裂纹破裂演化模式的分析。声发射时空分布结果表征深部大理岩的细观破坏形态与宏观破坏形态保持一致。声发射RA值得到深部大理岩在单轴状态下为拉剪复合型裂纹为主;三轴加载状态以剪切裂纹为主的拉剪复合型裂纹;卸载作用下,深部大理岩裂纹发育为以剪切裂纹为主导的拉剪复合型裂纹,且在峰值时裂纹破坏主要为剪切裂纹主导。(6)依据深部大理岩加、卸荷状态下的变形破坏特征,结合力学及声发射变化规律,开展深部大理岩变形破坏过程破坏前兆信息阶段性特征分析。在第三章中引入塑性应变比η确定岩石裂纹损伤失稳前兆点,随围压值增大裂纹发育越受抑制,裂纹损伤失稳前兆点越延后;根据应力-应变曲线确定扩容起始点,指出随围压增大,扩容应力越大。在第五章中根据声发射振铃计数和RA值变化规律综合确定峰值破坏前兆点,随围压增大峰值前兆点应力值越大。其中裂纹损伤失稳前兆应力<扩容应力<声发射峰值破坏前兆应力。(7)依托岩石损伤力学理论,分别基于塑性应变和声发射累计振铃计数建立损伤演化模型,全面系统分析深部大理岩在不同加、卸荷状态下的损伤破裂过程。加载状态下,基于塑性应变的损伤模型更能够较好地反映深部大理岩的损伤累积过程;而卸载状态下,两种损伤模型均能够反映深部大理岩在卸载过程中的损伤突发性规律。加载状态随着围压增大,深部大理岩损伤平静期越长,说明围压越大对变形的抑制作用越强;当围压越大时,峰前损伤增量越大,破裂越充分。卸载状态下,随初始围压增大,卸荷阶段损伤发育越充分,峰后阶段损伤增量越小,突发性破坏越显著。
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