動靜載荷與滲透水壓作用下裂隙巖體斷裂機理研究.pdf

1、為研究地下工程巖體受到爆破等動力擾動后突水的力學行為，開展了動靜載荷和滲透水壓作用的裂隙巖體破壞的理論研究、試驗研究、聲發(fā)射監(jiān)測、數值模擬和工程實測。
　　通過理論探討與試驗研究，分析了動靜載荷與滲透水壓共同作用下壓剪巖石裂紋起裂規(guī)律裂紋尖端應力強度因子的演化規(guī)律，得出裂紋尖端應力強度因子的主要影響因素有滲透水壓、動載荷、靜應力及裂紋傾角等。滲透壓的存在加劇了分支裂紋的擴展，隨著滲透水壓的增大，分支裂紋擴展由穩(wěn)定擴展變成不穩(wěn)定擴展

2、;與最大主應力方向一致的動載荷增加了Ⅰ型裂紋尖端強度因子，對Ⅱ型裂紋尖端強度因子的影響視裂紋傾角及材料屬性而定;裂紋起裂角因動載荷的變化而改變。針對Ⅰ型裂紋動態(tài)斷裂，推導出裂紋初始起裂角為70.5°。壓剪巖石裂紋初始起裂強度與滲透水壓、圍壓、動載荷相關。試驗結果驗證裂紋初始起裂強度隨圍壓增大而增大，隨滲透水壓增大而減小。
　　研制了滲透水壓加載裝置，對含裂紋類巖石材料的混凝土試樣加載預應力后，進行有滲透水壓作用和無滲透水壓作用下單

3、軸循環(huán)加卸載壓縮破壞對比試驗。試驗結果表明，在試樣彈性階段加載有限次循環(huán)載荷有助于類巖石材料的強化;在有滲透水壓作用下，單軸循環(huán)加卸載后巖石的強度降低，降低的程度與循環(huán)載荷加載時預應力的大小有關，在彈性階段加載循環(huán)載荷的巖石強度高于在損傷階段加載循環(huán)載荷的巖石強度，而且在滲透水壓作用下巖石的應變大于無滲透水壓作用下巖石的應變。具有巖爆傾向性巖石可以通過加載、卸載產生損傷以降低其巖爆傾向性，同時低滲透水壓的作用可使巖爆降低程度更劇。

4、>　　為研究地應力與滲透水壓耦合作用下的深部裂隙巖體受到爆破等動力擾動過程中聲發(fā)射特征，對含裂紋類巖石材料的混凝土試樣加載預應力后進行有滲透水壓作用和無滲透水壓作用下單軸循環(huán)加卸載壓縮破壞對比試驗，并采用聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)對其整個過程進行監(jiān)測。分析數據發(fā)現(xiàn)，有滲透水壓作用和無滲透水壓作用下試樣產生的聲發(fā)射有很大的區(qū)別:在其彈性階段加載循環(huán)載荷過程中，有滲透水壓作用的巖石聲發(fā)射能量較大，而無水壓作用的巖石幾乎沒有聲發(fā)射能量產生;在其損傷階

5、段加載循環(huán)載荷過程中，有滲透水壓作用的巖石聲發(fā)射能量較無水壓作用的巖石大得多。同時發(fā)現(xiàn)，循環(huán)載荷作用時有滲透水壓參與下，含裂紋類巖石材料的混凝土試樣在較低應力水平和較高應力水平都有聲發(fā)射事件產生，通過理論分析認為兩者產生的機理不同:較低應力水平下，巖石內部出現(xiàn)拉應力，導致其損傷產生聲發(fā)射;而在較高應力水平下，巖石內部壓應力很大，使其損傷而產生聲發(fā)射。
　　為了更好地觀察裂紋啟裂、擴展、破壞等過程，以闡述含裂紋巖石壓縮破壞機理，采用

6、RFPA2D計算軟件模擬再現(xiàn)試驗過程。通過計算模擬單軸壓縮載荷作用下含一條裂紋巖石破壞過程，發(fā)現(xiàn)含一條裂紋的試件的抗壓強度與裂紋傾角、有無滲透水壓作用有很大關系。隨著裂紋傾角從0°增大到90°，試件抗壓強度先減小再增大。當裂紋傾角為45°時，試件的抗壓強度最小;裂紋的啟裂強度也是如此。有滲透水壓作用的試件抗壓強度要低于無滲透水壓作用的試件。通過計算模擬單軸壓縮下兩條平行裂紋的破壞過程，發(fā)現(xiàn)在純應力場中兩條平行裂紋啟裂先后順序存在隨機性;

7、而對于滲流場中兩條平行裂紋，有滲透水壓作用的裂紋先啟裂。通過計算模擬單軸壓縮下兩條不平行裂紋的破壞過程，發(fā)現(xiàn)在純應力場中兩條不平行裂紋啟裂先后順序和裂紋傾角有關系;同時發(fā)現(xiàn)滲透水進入裂紋的先后順序影響巖體的強度。
　　為了驗證實驗室加載試驗和數值模擬結論的真實性，對大冶鐵礦尖林山采區(qū)進行生產爆破震動下滲水巷道圍巖松動圈測試。測試過程發(fā)現(xiàn)，爆破震動致使圍巖內部裂隙啟裂、發(fā)展，裂隙密度增大，降低了巖體聲波波速，導致圍巖松動圈擴大。同時