動(dòng)靜載荷與滲透水壓作用下裂隙巖體斷裂機(jī)理研究.pdf

1、為研究地下工程巖體受到爆破等動(dòng)力擾動(dòng)后突水的力學(xué)行為，開展了動(dòng)靜載荷和滲透水壓作用的裂隙巖體破壞的理論研究、試驗(yàn)研究、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬和工程實(shí)測(cè)。
　　通過理論探討與試驗(yàn)研究，分析了動(dòng)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(yīng)力強(qiáng)度因子的演化規(guī)律，得出裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的主要影響因素有滲透水壓、動(dòng)載荷、靜應(yīng)力及裂紋傾角等。滲透壓的存在加劇了分支裂紋的擴(kuò)展，隨著滲透水壓的增大，分支裂紋擴(kuò)展由穩(wěn)定擴(kuò)展變成不穩(wěn)定擴(kuò)展

2、;與最大主應(yīng)力方向一致的動(dòng)載荷增加了Ⅰ型裂紋尖端強(qiáng)度因子，對(duì)Ⅱ型裂紋尖端強(qiáng)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(dòng)載荷的變化而改變。針對(duì)Ⅰ型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂，推導(dǎo)出裂紋初始起裂角為70.5°。壓剪巖石裂紋初始起裂強(qiáng)度與滲透水壓、圍壓、動(dòng)載荷相關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證裂紋初始起裂強(qiáng)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(duì)含裂紋類巖石材料的混凝土試樣加載預(yù)應(yīng)力后，進(jìn)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(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)化;在有滲透水壓作用下，單軸循環(huán)加卸載后巖石的強(qiáng)度降低，降低的程度與循環(huán)載荷加載時(shí)預(yù)應(yīng)力的大小有關(guān)，在彈性階段加載循環(huán)載荷的巖石強(qiáng)度高于在損傷階段加載循環(huán)載荷的巖石強(qiáng)度，而且在滲透水壓作用下巖石的應(yīng)變大于無滲透水壓作用下巖石的應(yīng)變。具有巖爆傾向性巖石可以通過加載、卸載產(chǎn)生損傷以降低其巖爆傾向性，同時(shí)低滲透水壓的作用可使巖爆降低程度更劇。

4、>　　為研究地應(yīng)力與滲透水壓耦合作用下的深部裂隙巖體受到爆破等動(dòng)力擾動(dòng)過程中聲發(fā)射特征，對(duì)含裂紋類巖石材料的混凝土試樣加載預(yù)應(yīng)力后進(jìn)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(duì)比試驗(yàn)，并采用聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)對(duì)其整個(gè)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，有滲透水壓作用和無滲透水壓作用下試樣產(chǎn)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(chǎn)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(shí)發(fā)現(xiàn)，循環(huán)載荷作用時(shí)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(yīng)力水平和較高應(yīng)力水平都有聲發(fā)射事件產(chǎn)生，通過理論分析認(rèn)為兩者產(chǎn)生的機(jī)理不同:較低應(yīng)力水平下，巖石內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力，導(dǎo)致其損傷產(chǎn)生聲發(fā)射;而在較高應(yīng)力水平下，巖石內(nèi)部壓應(yīng)力很大，使其損傷而產(chǎn)生聲發(fā)射。
　　為了更好地觀察裂紋啟裂、擴(kuò)展、破壞等過程，以闡述含裂紋巖石壓縮破壞機(jī)理，采用

6、RFPA2D計(jì)算軟件模擬再現(xiàn)試驗(yàn)過程。通過計(jì)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(qiáng)度與裂紋傾角、有無滲透水壓作用有很大關(guān)系。隨著裂紋傾角從0°增大到90°，試件抗壓強(qiáng)度先減小再增大。當(dāng)裂紋傾角為45°時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度最小;裂紋的啟裂強(qiáng)度也是如此。有滲透水壓作用的試件抗壓強(qiáng)度要低于無滲透水壓作用的試件。通過計(jì)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(yīng)力場(chǎng)中兩條平行裂紋啟裂先后順序存在隨機(jī)性;

7、而對(duì)于滲流場(chǎng)中兩條平行裂紋，有滲透水壓作用的裂紋先啟裂。通過計(jì)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(yīng)力場(chǎng)中兩條不平行裂紋啟裂先后順序和裂紋傾角有關(guān)系;同時(shí)發(fā)現(xiàn)滲透水進(jìn)入裂紋的先后順序影響巖體的強(qiáng)度。
　　為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室加載試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)論的真實(shí)性，對(duì)大冶鐵礦尖林山采區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)爆破震動(dòng)下滲水巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試。測(cè)試過程發(fā)現(xiàn)，爆破震動(dòng)致使圍巖內(nèi)部裂隙啟裂、發(fā)展，裂隙密度增大，降低了巖體聲波波速，導(dǎo)致圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)大。同時(shí)