深部岩体变形破裂时空演化规律与机理研究

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1、博士学位论文深部岩体变形破裂时空演化规律与机理研究StudyonSpace-timeEvolutionLawandMechanismofDeformation-CrackingofDeepRockMass国家自然科学基金资助项目（51174197）资助国家重点基础研究发展计划(973)项目(2014CB046905)资助江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人培养项目（2012）资助作者：林志斌导师：李元海教授中国矿业大学二○一四年十二月中图分类号TD26学校代码10290UDC624.1密级公开中

2、国矿业大学博士学位论文深部岩体变形破裂时空演化规律与机理研究StudyonSpace-timeEvolutionLawandMechanismofDeformation-CrackingofDeepRockMass国家自然科学基金资助项目（51174197）资助国家重点基础研究发展计划(973)项目(2014CB046905)资助江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人培养项目（2012）资助作者林志斌导师李元海教授申请学位工学博士培养单位深部岩土力学国家重点实验室学科专业岩土工程研究方向深部隧道围

3、岩变形机理与控制答辩委员会主席评阅人二○一四年十二月论文审阅认定书研究生林志斌在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢岁月如歌，光阴似箭，回首近这六年的研究生历程，我要对那些引导我、帮助我、激励我的人表示真诚的感谢：首先要感谢的是李元海教授，可以说，没有李元海教授无微不至的关心、不辞劳苦的指

4、导以及无时无刻的鞭策与鼓励，本文是无法完成的。从大学毕业至今，师从李元海教授近六载，受益匪浅，尤其是恩师身上那种追求真理的执着信念、严谨认真的治学态度、崇高质朴的道德风范、宽厚仁和的待人方式、雷厉风行的工作作风，将使我在工作和生活中终身受益无穷；此外在生活方面，恩师和师母吴玲老师还给予了我无微不至的关心和帮助。因此，值此论文完成之际，向恩师及师母表示我最诚挚的敬意和感谢！同时，对三年来朝夕相处爆破实验室和重点实验室的所有老师和同学在学习与生活中给予的无私帮助表示感谢，尤其感谢许国安老师，师兄刘庆方

5、，师弟杨帆、张顺金、桂常林、秦先林、张振及任超，师妹高文艺和刘萍等在论文研究中给予的极大帮助。同样感谢赵耀强、孔竣、张厚岱、时林坡、王彦辉、冯强、苏海建、朱谭谭等在学习与生活中给予的关怀与帮助。最后，感谢父母的养育之恩，感谢姐姐、妹妹、妻子在生活上给予的帮助和关心，是他们一直默默的支持才使我安心的顺利完成自己的求学生涯！感谢我的朋友们一直以来在我求学道路中给予的支持。衷心感谢各位专家、教授在百忙之中对论文的审阅与指教！摘要深部巷道处于“三高一扰动”的复杂地质力学环境中，其围岩破裂的时空演化规律与机

6、理是事关深部工程稳定控制原理与技术的关键科学问题。但由于实际工程岩体或当前物理模型都是不透明材料，围岩变形的直接观测仅限于模型表面，而模型内部变形只能通过局部的、间接的方法进行有限观测，致使全面细致的岩体变形破裂过程及其复杂力学行为研究受到很大局限。因此，本文以透明岩体相似材料为基础，结合数字照相量测技术、数值模拟以及理论分析方法，对无构造应力作用下深埋圆形巷道开挖过程中围岩的内部变形破裂规律及机理展开研究，主要研究成果如下：（1）围绕现有透明岩土基础实验方法，进一步对透明岩体相似材料以及实验方法

7、展开研究，研制得到了满足实验应用要求的透明岩体相似材料、透明岩体巷道模型试验装置和以电机为加载方式的透明岩体多功能加载试验系统，并提出了透明岩体人工填充式制斑方法和三维数字照相量测分析方法。（2）通过对三维数字照相量测相关算法进行研究，采用面向对象的编程语言Delphi结合Matlab计算数据库成功研发出了包含图像预处理、特征点检测、相机平面检校和三维坐标求解四大模块的三维数字照相量测软件系统Photogram_3D。（3）获得了透明岩体巷道模型内部变形破裂随开挖加载的时空演化规律：1）随开挖面推

8、进，巷道各处岩体变形将历经基本不变形、变形急剧增长和变形速率逐渐减小三个阶段；而破裂发展则可大致分为未破裂、裂纹开始出现、上下裂纹开始交汇、裂纹开始交错贯通、裂纹大幅交错贯通及裂纹偏转压密6个阶段；2）巷道各处岩体的径向位移都大致与其距巷道表面的距离呈指数衰减关系；3）模型巷道横断面岩体的宏观裂纹数目及总长、破裂区域宽度及圆心角等都随巷道开挖通过时间或顶部荷载呈指数增长；4）随着顶部荷载的增大，顶部岩体将发生整体滑动而导致巷道失稳破坏。3D（4）采用PFC离散颗粒流软件重现了深部巷