高應(yīng)力巖體的動態(tài)加卸荷擾動特征與動力學(xué)機理研究.pdf

1、中圖分類號UDCTU452624博士學(xué)位論文學(xué)校代碼!Q呈三密級公玨高應(yīng)力巖體的動態(tài)加卸荷擾動特征與動力學(xué)機理研究CharacteristicoftheDynamicLoadingandUnloadingResponsesandDynamicMechanismofRocksunderHighInitialStress作者姓名：陶明學(xué)科專業(yè)：礦業(yè)工程研究方向：采礦工程學(xué)院(系、所)：資源與安全工程學(xué)院指導(dǎo)教師：李夕兵教授聯(lián)合培養(yǎng)導(dǎo)師：Dr

2、ChengqingWu(TheUniversityofAdelaide)論文答辯日期≯2Z三：Z』：簦答辯委員會主席中南大學(xué)2013年11月博士學(xué)位論文摘要高應(yīng)力巖體的動態(tài)加卸荷擾動特征與動力學(xué)機理研究摘要：深部巖體由于其自重和地球構(gòu)造運動的影響，本身是應(yīng)力和能量的儲存體。開挖前，開挖面和周圍巖體之間處于準(zhǔn)靜態(tài)平衡(quasistatic)狀態(tài)。當(dāng)巖體開挖，原有的平衡狀態(tài)被打破，引起初始應(yīng)力和能量的重新分布、轉(zhuǎn)移和釋放，這將促使巖體內(nèi)部

3、損傷演化的累積和發(fā)展，進(jìn)而可能產(chǎn)生宏觀的時效斷裂。由于開挖導(dǎo)致巖體初始應(yīng)力的轉(zhuǎn)移、釋放以及巖體的松弛變形嚴(yán)重影響地下工程開挖的穩(wěn)定性。如，深部開挖可能導(dǎo)致開挖面附近巖石的破壞甚至巖爆的發(fā)生，這使得深部巖體的破壞形式表現(xiàn)得非常復(fù)雜和特別。同時，深部巷道開挖還常常會出現(xiàn)層裂等漸進(jìn)破壞模式。因此，由于開挖導(dǎo)致原巖應(yīng)力和能量的釋放不但影響開挖過程中的安全性，而且會嚴(yán)重改變巷道圍巖的支護要求和支護能力。目前深部巖石力學(xué)問題的研究主要是從靜力學(xué)或準(zhǔn)

4、靜力學(xué)及純動力學(xué)的角度出發(fā)，很少考慮高應(yīng)力巖體由于自身靜態(tài)初始應(yīng)力和外界動力擾動混合作用的行為特性。為此，本文圍繞初始應(yīng)力對彈性波傳播的影響，沖擊載荷作用下引起的層裂破壞，高應(yīng)力巖體加、卸荷作用下的破壞機理等展開了相關(guān)的理論、實驗和數(shù)值模擬研究，旨在探討高應(yīng)力巖體破壞的巖石力學(xué)機理。主要內(nèi)容和結(jié)論性成果如下：(1)通過數(shù)學(xué)物理的方法求得了巖體加、卸荷過程中的定解問題。分析了初始應(yīng)力和初始應(yīng)力梯度對應(yīng)力波傳播過程的波動方程、應(yīng)力波波速等的

5、影響。設(shè)計了應(yīng)力波在有初始應(yīng)力的花崗巖試件中的傳播實驗，結(jié)果表明縱波和橫波波速都隨初始應(yīng)力的增加而增大，驗證了理論推導(dǎo)的正確性。(2)針對沖擊載荷作用下層裂破壞的多種表現(xiàn)形式，對一維桿件的層裂破壞特性、地下封閉爆炸的地表層裂特性、地下結(jié)構(gòu)的層裂特性進(jìn)行了理論分析。首次利用長條形的花崗巖試件實現(xiàn)了一維應(yīng)力條件下的層裂破壞，并由試驗結(jié)果推導(dǎo)出巖石層裂試驗過程存在明顯的損傷破壞效應(yīng)。同時，把初始應(yīng)力和初始應(yīng)力梯度引入到分析地下爆炸引起的地表層