真三軸應(yīng)力條件下層狀復(fù)合巖石力學(xué)及滲流特性理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、層狀復(fù)合巖石是工程實(shí)際中常見(jiàn)的地質(zhì)材料，由于其是由不同厚度、不同力學(xué)特性、不同滲透屬性等組分組成且以按照某種順序結(jié)合而成的天然巖體，因此其特性與單一巖石有很大區(qū)別。并且以往多采用單軸或者圍壓三軸的加載方式對(duì)層狀復(fù)合巖石的力學(xué)和滲透特性進(jìn)行研究，忽略了中間主應(yīng)力的影響，而隧道開(kāi)挖、深井開(kāi)采等地下工程中的層狀巖體往往處在三向不等應(yīng)力（123?????）且各主應(yīng)力均在不斷變化的復(fù)雜應(yīng)力條件下。因此，研究真三軸應(yīng)力狀態(tài)下（123?＞?＞?）以成

2、層地質(zhì)材料為對(duì)象的層狀復(fù)合巖石力學(xué)特征與滲流特性，具有很重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。基于此，本文采用理論推導(dǎo)和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，利用重慶大學(xué)自主研發(fā)的“多功能真三軸流固耦合試驗(yàn)系統(tǒng)”，開(kāi)展了等b等?3、等p等b、改變最小主應(yīng)力、改變加卸載速率、改變氣體壓力等系列單一巖石和層狀復(fù)合巖石的力學(xué)和滲流試驗(yàn)，研究了真三軸應(yīng)力條件下層狀復(fù)合巖石的變形、強(qiáng)度特征和滲流特性。利用均質(zhì)化理論方法，將層狀復(fù)合巖石虛擬為一種等效的均質(zhì)巖石，建立了真三軸應(yīng)

3、力條件下基于MLC準(zhǔn)則的層狀復(fù)合巖石各向異性破壞準(zhǔn)則和損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)方程。并基于層狀復(fù)合巖石思想和強(qiáng)度理論，以層狀復(fù)合煤巖體為研究對(duì)象，開(kāi)展了改變靜應(yīng)力組合、交變載荷頻率和幅值、應(yīng)變率及氣體壓力等試驗(yàn)條件的真三軸試驗(yàn)，研究了深部開(kāi)采動(dòng)靜載荷作用下沖擊地壓、突出復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的誘導(dǎo)條件和動(dòng)力顯現(xiàn)特征。本文主要研究成果如下：
　?、僦虚g主應(yīng)力對(duì)巖石整體強(qiáng)度有明顯的強(qiáng)化作用，隨著b值的增加，M-C準(zhǔn)則預(yù)測(cè)的峰值強(qiáng)度值要低于MLC真三軸強(qiáng)度準(zhǔn)

4、則的曲線。在b=0到b=0.25時(shí)，巖石強(qiáng)度的增加幅度要大于其他區(qū)間增加或降低的幅值，巖石強(qiáng)度和變形對(duì)中間主應(yīng)力的敏感性更強(qiáng)。中間主應(yīng)力保持不變時(shí)，隨著最小主應(yīng)力的增大，在加載初期各應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎是重合的，層狀復(fù)合巖石的峰值強(qiáng)度與最小主應(yīng)力大小幾乎呈線性相關(guān)。層狀復(fù)合巖石的強(qiáng)度和變形特征有明顯的層面傾角效應(yīng)和率敏感特征，加載和卸載速率越大，巖石整體破壞時(shí)釋放的彈性能也越大。
　?、诘萣等σ3條件下，b在0到0.5區(qū)間內(nèi)，層狀復(fù)

5、合巖石的擴(kuò)容起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸差應(yīng)力均逐漸上升，中間主應(yīng)力的增大延遲了巖石非線性體積應(yīng)變的出現(xiàn)。當(dāng)b大于0.5時(shí)，擴(kuò)容起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸差應(yīng)力隨著中間主應(yīng)力的增大反而有下降的趨勢(shì)，但整體下降幅度不是很大，擴(kuò)容起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸差應(yīng)力與層狀復(fù)合巖石的峰值強(qiáng)度呈明顯的正相關(guān)性。等p等 b試驗(yàn)條件下，擴(kuò)容起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸差應(yīng)力均隨著中間主應(yīng)力的增大而逐漸降低。
　?、劾镁|(zhì)化理論，建立了基于 MLC準(zhǔn)則的層狀復(fù)合巖石真三軸各向異性破壞準(zhǔn)則，研究了該準(zhǔn)則在八

6、面體平面上的破壞軌跡特征，并開(kāi)展了系列真三軸試驗(yàn)對(duì)建立的真三軸強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行了驗(yàn)證。層狀復(fù)合巖石發(fā)生破壞時(shí)，其破壞特征取決于最大主應(yīng)力方位角、各巖石分層的強(qiáng)度參數(shù)和幾何參數(shù)等，文中給出了不同最大主應(yīng)力方位角條件下層狀復(fù)合巖石的破壞特征并解出了對(duì)應(yīng)最大主應(yīng)力方位角的理論解。
　?、芑谛拚腖ade真三軸準(zhǔn)則和Weibull概率密度函數(shù)建立了固定最小主應(yīng)力σ3、改變中間主應(yīng)力σ2和基于中主應(yīng)力系數(shù)b（或Lode參數(shù)μσ）的層狀復(fù)合巖石

7、各向異性損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)方程，并引入用損傷變量表示的擴(kuò)容修正系數(shù)，建立的損傷模型與真三軸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)性良好，可以較好地描述層狀巖石的變形和強(qiáng)度特征。
　?、莼诘刃нB續(xù)介質(zhì)假設(shè)，將水平層狀復(fù)合煤巖體視為橫觀各向同性介質(zhì)，同時(shí)考慮到應(yīng)力和滲流的內(nèi)在關(guān)系，從細(xì)觀損傷力學(xué)理論出發(fā)，建立了可以描述應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中的滲透率的演化模型和應(yīng)力-損傷-滲透率演化方程，并進(jìn)行了真三軸應(yīng)力條件下原煤、頂?shù)装鍘r石的滲流試驗(yàn)驗(yàn)證。本文建立的利用體應(yīng)變和體應(yīng)力表