卸荷條件下巖石破壞宏細(xì)觀機制與地下工程設(shè)計計算方法研究

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1、卸荷條件下巖石破壞宏細(xì)觀機制與地下工程設(shè)計計算方法研究第1章緒論1.1研究意義20世紀(jì)下半葉，我國大型水利水電工程，如三峽工程等工程的興建，提出了大量的巖石力學(xué)與巖土工程問題，通過大量的室內(nèi)與現(xiàn)場試驗，在復(fù)雜工程開挖、地應(yīng)力理論等方面都取得重大進展[1]。進入21世紀(jì)，國家經(jīng)濟迅猛發(fā)展，帶動相關(guān)工程進入迅速發(fā)展階段，如水利工程方面，如三峽工程長達1.6km，坡高達170m的永久船閘高邊坡，深圳布吉郁南160m超高型采石場邊坡，瀾滄江小灣水電站高達1000m自然邊坡，錦屏一級水電站高達540m的開挖邊坡，墨脫水電站引水隧洞埋深4000m等；隧道工程方面，如在近

2、幾年興建的高速鐵路包括京滬、武廣、福廈以及滬漢蓉大通道等中占有相當(dāng)大比例的隧洞等；地鐵工程方面，如國內(nèi)已建成超過600km地鐵和輕軌，北京、上海、廣州等12個城市36條城市軌道交通線路正在建設(shè)，多達15個城市的地鐵規(guī)劃得到批復(fù)，未來10年城市軌道交通線路總長約1700km；新興地下空間應(yīng)用方面，戰(zhàn)略能源儲備進入實施階段，每年多達上千噸的核廢料地下儲存工程，長期規(guī)劃的二氧化碳在鹽巖中的儲存工程等。同時經(jīng)濟發(fā)展也增加對能源的需求，礦山開挖深度逐漸增加，金屬礦山方面如冬瓜山銅礦主采區(qū)深達800~1000m，山東玲瓏金礦深達1000m等；煤礦方面如山東巨野煤礦達15

3、00m等。地下工程與礦業(yè)工程的發(fā)展以及復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，帶來大量的地質(zhì)災(zāi)害問題：自然或人工開挖巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定，地下隧洞冒頂和垮落、地下洞室對地面建筑物的影響、深部巖爆與礦山?jīng)_擊地壓等[1-2]。..1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀巖體加、卸荷破壞現(xiàn)象廣泛存在于巖體工程中，工程施工與使用過程中產(chǎn)生的各種巖體破壞問題，迫切需要弄清巖體的破壞機制。當(dāng)前，關(guān)于巖石破壞的理論與室內(nèi)試驗研究是巖石力學(xué)研究的熱點之一。能量法、聲發(fā)射法、分形法以及數(shù)值模擬等研究手段都可見于巖石力學(xué)機理研究。巖體破壞過程中包含著力學(xué)演化機制的重要信息，如應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、承載強度以及破壞形式等，通過對破壞過程

4、信息的分析，有利于研究巖體的力學(xué)特性。巖石力學(xué)起源于采礦工程，直至20世紀(jì)70年代，巖體力學(xué)測試技術(shù)才得到重大突破，現(xiàn)場深部巖體應(yīng)力可用應(yīng)力解除法得到，同時得益于剛性試驗機的出現(xiàn)，室內(nèi)巖樣試驗可以測得全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而更深刻地描述巖體的力學(xué)特性[4]。同時部分學(xué)者指出卸荷巖體力學(xué)更符合實際工程的力學(xué)狀態(tài)，如哈秋舲、李建林[5-7]等通過對三峽工程永久船閘高邊坡的仿真實驗，指出巖體加荷與卸荷的區(qū)別：巖體力學(xué)參數(shù)、受荷應(yīng)力路徑、屈服條件、分析方法等，提出更符合工程實際力學(xué)狀態(tài)的卸荷巖體力學(xué)；LauJosepS.O[8]指出加荷試驗路徑與工程實際不符，采用卸荷

5、路徑測定巖石力學(xué)參數(shù)更為準(zhǔn)確。在卸荷巖體力學(xué)基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者對巖石力學(xué)參數(shù)進行研究：Shimamoto.T[9]提出卸圍壓試驗方法，計算巖石不同圍壓下的摩擦強度；尤明慶等[10]依據(jù)大理巖的三軸卸圍壓試驗，分析強度與巖樣弱化破壞間的關(guān)系，提出以巖樣弱化模量來描述表征巖樣的強度弱化；高春玉等[11]對取自錦屏水電站邊坡的大理巖進行室內(nèi)三軸卸荷試驗，認(rèn)為大理巖卸荷時變形模量減小，巖樣抗壓強度減小，粘聚力減小幅度很大，但內(nèi)摩擦角增加量很??；李宏哲、汪斌等[12-13]同樣對錦屏水電站引水隧洞的大理巖進行卸圍壓破壞試驗，得到卸荷后大理巖巖樣側(cè)向變形會顯著增加，并且增

6、加速率也在逐漸增大，同時彈性模量降低；蘇承東[14]等對大理巖進行不同應(yīng)變速率的單軸壓縮試驗，認(rèn)為大理巖峰值強度與應(yīng)變速率呈二次多項式相關(guān)，彈性模量和峰值應(yīng)變受應(yīng)變速率影響不大，泊松比與應(yīng)變速率呈指數(shù)關(guān)系。..第2章巖石卸荷破壞試驗及分析2.1試樣方案設(shè)計圍巖應(yīng)力重分布過程中，引起圍巖應(yīng)力集中和應(yīng)力降，不同部位應(yīng)力變化不同：越接近洞室臨空面，圍巖最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差越大。應(yīng)力差有三種變化：增大、減小以及不變。應(yīng)力路徑不同，圍巖反映出的強度、破壞前兆、變形和破壞特征等均不同。由此，本文設(shè)計并進行不同卸荷應(yīng)力路徑下的大理巖破壞試驗。試驗用巖樣同批次取自河南駐

7、馬店侵入巖體接觸變質(zhì)帶上的大理巖，主要化學(xué)成分為CaCO3，質(zhì)地細(xì)膩光滑，呈淺紅色，顆粒細(xì)小均勻，粒徑一般在0.05~0.20mm。按照工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[198-200]，在實驗室內(nèi)將大理巖巖樣加工成直徑50mm，高100mm的圓柱體，并對試樣兩端面仔細(xì)研磨，不平行度在±0.3%。試驗前，為進一步消除試樣自身宏觀結(jié)構(gòu)對試驗結(jié)果的影響，對加工后試樣進行處理：試驗分為三個階段：①增加圍壓，即按照靜水壓力條件逐步施加圍壓σ3至預(yù)定值（20MPa、40MPa）；②保持圍壓σ3不變，通過應(yīng)力控制的方式提高軸壓σ1至

8、巖樣破壞峰值應(yīng)力的（峰前、峰后）某一應(yīng)力狀態(tài)（60%