高應(yīng)力下大理巖卸荷破裂分形及應(yīng)變能轉(zhuǎn)化規(guī)律研究.pdf

1、隨著西部大開發(fā)的進(jìn)行，高應(yīng)力條件下巖體工程大規(guī)模開挖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、災(zāi)害預(yù)測(cè)及防治已經(jīng)成為巖石力學(xué)和工程地質(zhì)領(lǐng)域近來(lái)較為關(guān)心的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。巖體的受荷方式及其所賦存的環(huán)境直接影響著巖體本身的力學(xué)性質(zhì)及損傷破裂演化機(jī)理。高圍壓常規(guī)三軸壓縮條件下，巖體一般會(huì)在峰值強(qiáng)度點(diǎn)附近經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的塑性流動(dòng)變形，不會(huì)立即發(fā)生失穩(wěn)破壞。但高應(yīng)力條件下卸荷破壞則不同，隨著某一方向或者多方向約束力的降低，巖體不僅峰前強(qiáng)度會(huì)很快喪失，而且峰后破裂貫通迅速，甚至還

2、會(huì)引起破碎巖體的動(dòng)能效應(yīng)，譬如巖爆。能量是驅(qū)動(dòng)物質(zhì)物理變化的根本因素。論文針對(duì)高地應(yīng)力強(qiáng)卸荷條件下巖石破裂和能量轉(zhuǎn)化規(guī)律這一基礎(chǔ)問(wèn)題，依托導(dǎo)師的國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(40902078)和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41172243)，以三軸高應(yīng)力條件下錦屏一級(jí)水電站地下廠房大理巖卸圍壓試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，結(jié)合能量原理和分形理論，開展了高應(yīng)力卸荷條件下巖石破裂分形及損傷破裂的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律及過(guò)程機(jī)制研究，取得如下一些主要研究成果：

3、r>　　 ①基于經(jīng)典熱力學(xué)定律，總結(jié)了高應(yīng)力卸圍壓條件下全程應(yīng)變能轉(zhuǎn)化規(guī)律；對(duì)比分析了高應(yīng)力條件下常規(guī)三軸壓縮破壞與高應(yīng)力條件下卸圍壓破壞試驗(yàn)在峰值強(qiáng)度點(diǎn)的應(yīng)變能特征；探究了耗散應(yīng)變能Ud、彈性應(yīng)變能Ue、環(huán)向膨脹消耗應(yīng)變能U3在峰前和峰后的變化速率及峰值點(diǎn)應(yīng)變能狀態(tài)，并與常規(guī)三軸壓縮條件下比較。卸荷過(guò)程中應(yīng)變能積聚、耗散較常規(guī)三軸壓縮更為劇烈，吸收應(yīng)變能U1和儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能Ue快速增加，巖石損傷耗散應(yīng)變能Ud也明顯增加，更為突出的是

4、σ3做負(fù)功消耗應(yīng)變能U3迅速增加；峰后應(yīng)力跌落段歷時(shí)很短且卸荷速率越快越短；相對(duì)常規(guī)三軸壓縮巖樣，卸荷巖樣峰后彈性變形能Ue釋放和σ3做負(fù)功消耗應(yīng)變能U3所占的份額明顯增大，而且卸荷速率越快，份額也越大。
　　 ②在高應(yīng)力常規(guī)三軸試驗(yàn)和高應(yīng)力卸圍壓試驗(yàn)和主破裂面高精度三維激光掃描的基礎(chǔ)上，結(jié)合分形幾何原理，得到了不同初始圍壓和不同卸荷速率條件下巖樣主破裂面粗糙程度和破碎塊度分形維數(shù)。高應(yīng)力條件下三軸卸圍壓大理巖試件碎塊分形性質(zhì)具

5、有較強(qiáng)的局部性，僅在小于某一特征尺度(分形特征尺寸閾值)范圍內(nèi)表現(xiàn)出較好的分形性質(zhì)；相同初始圍壓下，分維數(shù)D隨卸荷速率增大而單調(diào)減小，且一般初始圍壓越大其減小速率越快；初始圍壓越高卸荷速率越快，主破裂面越起伏粗糙，分形維數(shù)越大，而初始圍壓越高卸荷速率越慢，主破裂面越平坦光滑，分形維數(shù)越小。
　　 ③揭示了不同卸荷速率及初始圍壓條件下大理巖粗糙度分形維數(shù)及塊度分形維數(shù)與應(yīng)變能耗散及釋放的相關(guān)性。峰前：塊度分形維數(shù)與耗散應(yīng)變能Ud及

6、彈性變形能Ue均成負(fù)相關(guān)，與環(huán)向擴(kuò)容應(yīng)力做負(fù)功耗能U3也成負(fù)相關(guān)，但變化幅度較?。恢髌屏衙娣中尉S數(shù)與Ud、Ue及U3對(duì)應(yīng)的變化速率ud、ue和u3均表現(xiàn)出較好的線性正比例關(guān)系。峰后：主破裂面的分形維數(shù)與ud、ue和u3表現(xiàn)為非單一的線性正比關(guān)系，大致從分維數(shù)2.05分為較為明顯的兩段，兩段變化率相差10～40倍。
　　 ④基于應(yīng)變能轉(zhuǎn)化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，揭示了卸荷破壞及損傷破裂演化的應(yīng)變能轉(zhuǎn)化過(guò)程機(jī)制。卸荷破壞峰前以彈性應(yīng)變能的儲(chǔ)存為