高应力下脆性岩石力学特性及细观演化机制研究

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1、高应力下脆性岩石力学特性及细观演化机制研究-->第一章绪论1.1选题依据和研究意义目前，我国水能资源的开发利用主要位于西部高山峡谷地区，在工程建设过程中经常遭遇高地应力、大深埋、高水头、高地温等特殊地质问题，如西部已建的水布垭、拉西瓦、二滩、糯扎渡等水电工程以及在建的锦屏一级和二级、溪洛渡、白鹤滩、乌东德等水电工程都曾遇到这些特殊地质问题诱发的工程安全问题。上述这些工程的实践表明：高地应力区地下工程岩体赋存的地应力场分布更为复杂，围岩在强卸载作用下产生岩爆、膨胀脆碎、围岩大变形、裂隙架空等灾变模式，岩体破坏的突然性及动力响应的突变性显著增强，且强卸荷诱发围岩产生具有平行于临

2、空面定向性特征的卸荷裂纹，与原有的节理裂隙相组合，成为工程潜在的隐患，对施工安全和工程进度威胁巨大等[1,2,3,4]。与浅部工程相比，高地应力或者深部工程的岩体力学特性有其固有的特殊性，脆性岩石的力学行为将发生变化，变形破坏现象和机理将极其不同。根据近年来的研究，主要归结于三个方面。（1）在高地应力作用下，由于能量的突然释放造成脆性岩石发生突然的剥落或弹射破坏，破坏模式主要表现为脆性破坏；（2）由于脆性岩石强度和破坏的独特性和复杂性，尤其是深部岩体，当深埋洞室开挖使得近场围岩处于高应力环境而围压则从临空面向深部由低逐渐增大，岩体强度的主要控制作用发生变化；（3）高地应力的

3、长期作用还使得脆性岩石的强度降低，发生应变软化，并逐步向延性转化，围岩体承载能力降低，如此会导致硬脆性围岩体时效性的变形和破坏以及衬砌结构破坏和丧失使用等突出问题。面对高地应力作用下特殊的岩石力学问题，如何深入的认识高应力条件下脆性岩石的力学特性、变形破坏机制成为高地应力区地下工程建设亟需解决的课题。在锦屏一级地下厂房大理岩真三轴试验的基础上，本文根据大理岩SEM图像和岩石破坏后的CT扫描图像，采用二维/三维离散元颗粒流理论，构建锦屏大理岩细观力学计算模型，深入分析由晶体组成的大理岩在不同应力路径和应力状态下的力学特征和强度准则，研究脆性岩石在复杂应力路径下的细观变形破坏机

4、制，为高地应力区洞室群开挖稳定及变形支护提供可靠的理论依据。..................................1.2国内外研究现状1.2.1脆性岩石力学特性研究自从岩石力学学科创立以来，岩石的力学特性研究一直是岩石力学界的基础性工作。形成这一局面的原因是多方面的，一方面作为岩石力学研究与岩石工程设计和施工的基础问题，需要了解和认识岩石基本的力学特性、变形破坏规律及其内在机制，而这一方面又受到岩石自身的复杂性、多样性所限，人们只能从某一个方面或者某几个方面来研究，而这些工作还远远不能全方位地认识岩石的本质特性；另一方面是岩石自身的所处的外界环境条件，也即地应

5、力、温度和水等等外界因素的影响，岩石的力学性质发生了根本变化，由此导致了岩石的变形破坏规律及其内在机制等方面的差异。为了更好的利用岩石服务人类，研究人员深入而又持久地进行了大量的试验，从不同角度来认识岩石的变形破坏规律，取得了许多重要的研究成果。葛修润[7]利用RMT试验机研究了脆性岩石发生疲劳破坏时的变形量受岩石应力-应变全过程曲线控制的规律，并通过采用实时X射线CT扫描的新试验方法，从细观层次上研究岩石结构演变和裂纹萌生、扩展直到破坏的全过程，为深入认识岩石内在的损伤演化机制提供了一种新的实验手段。尤明庆[8]等利用中晶和细晶两种大理岩的不同内径孔道大理岩试样，在内孔压

6、力为0时进行了常规三轴压缩试验，分析了试样内非均匀应力分布对试样承载能力和变形特性的影响。徐林生[9]对试样先施加至静水压力状态，再增加轴压至岩样破坏前的某一应力状态；然后缓慢地降围压，同时再施加轴压，获得峰值强度后各级围压下的残余强度，得到了试样的变形特征和破坏特征。高春玉[10]等利用锦屏一级水电站坝址区边坡的大理岩试件进行了加载和卸载条件下的系列三轴试验，揭示了大理岩在加、卸载条件下力学特性的差异。喻勇[11]等采用RMT，MTS刚性伺服试验机，研究了三峡工程中隔墩花岗岩在三点弯曲断裂、劈裂拉伸、三轴压缩及单轴抗压等4种加载方式下的能耗特征。沈军辉[12]等在岩石试件

7、卸荷试验的基础上，结合大型开挖工程，研究了岩体在卸荷状态下的变形破裂特征，认为岩石在卸荷状态下的变形表现为沿卸荷方向的强烈扩容，其破裂以张性破裂为特征，并存有张剪性和剪性破裂；卸荷岩体除具有上述变形破裂特征外，其变形破裂程度及方式受岩体结构的控制，比岩石更易发生变形与破坏。徐松林等[13]等对大理岩常规三轴压缩全过程和峰前、峰后卸载全过程进行了系统研究，得到了大理岩的强度特征和变形特征。沈明荣等[14]通过对红砂岩在不同加载路径条件下的三轴试验，认为在不同加载路径条件下，岩石变形表现与常规试验有较大差异，有着较明显