卸荷条件下岩石破坏宏细观机制与地下工程设计计算方法研究

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1、卸荷条件下岩石破坏宏细观机制与地下工程设计计算方法研究第1章绪论1.1研究意义20世纪下半叶，我国大型水利水电工程，如三峡工程等工程的兴建，提出了大量的岩石力学与岩土工程问题，通过大量的室内与现场试验，在复杂工程开挖、地应力理论等方面都取得重大进展[1]。进入21世纪，国家经济迅猛发展，带动相关工程进入迅速发展阶段，如水利工程方面，如三峡工程长达1.6km，坡高达170m的永久船闸高边坡，深圳布吉郁南160m超高型采石场边坡，澜沧江小湾水电站高达1000m自然边坡，锦屏一级水电站高达540m的开挖边坡，墨脱水电站引水隧洞埋深4000m等；隧道工程方面，如在近

2、几年兴建的高速铁路包括京沪、武广、福厦以及沪汉蓉大通道等中占有相当大比例的隧洞等；地铁工程方面，如国内已建成超过600km地铁和轻轨，北京、上海、广州等12个城市36条城市轨道交通线路正在建设，多达15个城市的地铁规划得到批复，未来10年城市轨道交通线路总长约1700km；新兴地下空间应用方面，战略能源储备进入实施阶段，每年多达上千吨的核废料地下储存工程，长期规划的二氧化碳在盐岩中的储存工程等。同时经济发展也增加对能源的需求，矿山开挖深度逐渐增加，金属矿山方面如冬瓜山铜矿主采区深达800~1000m，山东玲珑金矿深达1000m等；煤矿方面如山东巨野煤矿达15

3、00m等。地下工程与矿业工程的发展以及复杂的地质环境，带来大量的地质灾害问题：自然或人工开挖岩质边坡稳定，地下隧洞冒顶和垮落、地下洞室对地面建筑物的影响、深部岩爆与矿山冲击地压等[1-2]。..1.2国内外研究现状岩体加、卸荷破坏现象广泛存在于岩体工程中，工程施工与使用过程中产生的各种岩体破坏问题，迫切需要弄清岩体的破坏机制。当前，关于岩石破坏的理论与室内试验研究是岩石力学研究的热点之一。能量法、声发射法、分形法以及数值模拟等研究手段都可见于岩石力学机理研究。岩体破坏过程中包含着力学演化机制的重要信息，如应力-应变关系、承载强度以及破坏形式等，通过对破坏过程

4、信息的分析，有利于研究岩体的力学特性。岩石力学起源于采矿工程，直至20世纪70年代，岩体力学测试技术才得到重大突破，现场深部岩体应力可用应力解除法得到，同时得益于刚性试验机的出现，室内岩样试验可以测得全应力-应变曲线，从而更深刻地描述岩体的力学特性[4]。同时部分学者指出卸荷岩体力学更符合实际工程的力学状态，如哈秋舲、李建林[5-7]等通过对三峡工程永久船闸高边坡的仿真实验，指出岩体加荷与卸荷的区别：岩体力学参数、受荷应力路径、屈服条件、分析方法等，提出更符合工程实际力学状态的卸荷岩体力学；LauJosepS.O[8]指出加荷试验路径与工程实际不符，采用卸荷

5、路径测定岩石力学参数更为准确。在卸荷岩体力学基础上，相关学者对岩石力学参数进行研究：Shimamoto.T[9]提出卸围压试验方法，计算岩石不同围压下的摩擦强度；尤明庆等[10]依据大理岩的三轴卸围压试验，分析强度与岩样弱化破坏间的关系，提出以岩样弱化模量来描述表征岩样的强度弱化；高春玉等[11]对取自锦屏水电站边坡的大理岩进行室内三轴卸荷试验，认为大理岩卸荷时变形模量减小，岩样抗压强度减小，粘聚力减小幅度很大，但内摩擦角增加量很小；李宏哲、汪斌等[12-13]同样对锦屏水电站引水隧洞的大理岩进行卸围压破坏试验，得到卸荷后大理岩岩样侧向变形会显著增加，并且增

6、加速率也在逐渐增大，同时弹性模量降低；苏承东[14]等对大理岩进行不同应变速率的单轴压缩试验，认为大理岩峰值强度与应变速率呈二次多项式相关，弹性模量和峰值应变受应变速率影响不大，泊松比与应变速率呈指数关系。..第2章岩石卸荷破坏试验及分析2.1试样方案设计围岩应力重分布过程中，引起围岩应力集中和应力降，不同部位应力变化不同：越接近洞室临空面，围岩最大主应力与最小主应力差越大。应力差有三种变化：增大、减小以及不变。应力路径不同，围岩反映出的强度、破坏前兆、变形和破坏特征等均不同。由此，本文设计并进行不同卸荷应力路径下的大理岩破坏试验。试验用岩样同批次取自河南驻

7、马店侵入岩体接触变质带上的大理岩，主要化学成分为CaCO3，质地细腻光滑，呈浅红色，颗粒细小均匀，粒径一般在0.05~0.20mm。按照工程岩体试验方法标准[198-200]，在实验室内将大理岩岩样加工成直径50mm，高100mm的圆柱体，并对试样两端面仔细研磨，不平行度在±0.3%。试验前，为进一步消除试样自身宏观结构对试验结果的影响，对加工后试样进行处理：试验分为三个阶段：①增加围压，即按照静水压力条件逐步施加围压σ3至预定值（20MPa、40MPa）；②保持围压σ3不变，通过应力控制的方式提高轴压σ1至

8、岩样破坏峰值应力的（峰前、峰后）某一应力状态（60%