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中南大学学报（自然科学版） 2021年第8期52卷 2867-2875页

作者：贾蓬杨楠刘冬桥王德超王述红赵永徐雪桐东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

为研究岩层交界面处开挖卸荷诱发岩爆的发生机制,利用RFPA3D并行计算程序对组合岩石开展真三轴加卸载的数值模拟试验,研究不同高度比和不同倾角的组合岩石在真三轴加卸载条件下的破坏演化过程、力学特征以及破坏模式。研究结果表明:岩... 详细信息

为研究岩层交界面处开挖卸荷诱发岩爆的发生机制,利用RFPA3D并行计算程序对组合岩石开展真三轴加卸载的数值模拟试验,研究不同高度比和不同倾角的组合岩石在真三轴加卸载条件下的破坏演化过程、力学特征以及破坏模式。研究结果表明:岩石组合体在真三轴加卸荷下的局部化破坏特征显著,破坏位置与软硬岩石有关。岩石的破坏主要集中在软岩的临空面附近并向硬岩扩展;组合岩石的破坏模式与高度比和组合倾角有关;随软岩高度比增加,由剪张复合型破坏向张剪复合型破坏转变;随倾角增大,岩石剪切滑移破坏显著;组合岩石真三轴加卸载下的峰值强度与软硬岩石高度比和组合倾角有关,受软岩的力学参数影响较大。研究成果可为深入认识岩层交界面处因开挖卸荷诱发的岩石破坏机理提供参考。

关键词：组合岩石高应力岩爆加卸荷真三轴

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渗流-应力耦合作用下类砂-泥岩组合岩石力学特性及渗透机理研究

渗流-应力耦合作用下类砂-泥岩组合岩石力学特性及渗透机理研究

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作者：付鹏长江大学

学位级别：硕士

近年来,深部地层开发、地下工程的稳定性及安全性等问题是我国大力推进的科研课题。组合岩石是深部地下工程中比较常见且特殊的一种岩体,但组合岩石与单一岩石有较大区别,组合岩石不仅受到层厚比、层理面、结构面倾角等影响,还受到地球... 详细信息

近年来,深部地层开发、地下工程的稳定性及安全性等问题是我国大力推进的科研课题。组合岩石是深部地下工程中比较常见且特殊的一种岩体,但组合岩石与单一岩石有较大区别,组合岩石不仅受到层厚比、层理面、结构面倾角等影响,还受到地球物理场(应力场、渗流场等)影响,因此对组合岩石力学性能及渗透机理的研究是十分有必要的。主要研究方法和成果如下:(1)为了能真实反映类砂-泥岩组合岩石的岩性,采用普通硅酸盐水泥、石英砂、硅粉等相似材料开展相似模型试验,制备两种不同力学特性(类砂岩、类泥岩)的岩石,得到两类岩石的物理特性及力学性能,以此为控制指标进行多次配比实验,筛选出合适组,综合分析后最终得到两组最符合类砂岩、类泥岩的两类配合比。(2)利用上述两种最优配合比,制作五组不同层厚比(0、0.25、0.5、0.75、1)的类砂-泥岩组合岩石。为了研究类砂-泥岩组合岩石的损伤力学特性,开展常规单轴、三轴压缩实验,单轴实验中结合声发射技术,同步记录岩样的声发射数据和岩样裂纹萌发到扩展的全过程,分析类砂-泥岩组合岩石在常规单三轴试验下的强度特征、变形特征。(3)对类砂-泥岩组合岩石开展不同层厚比、不同围压(10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa)及不同孔压(2MPa、3MPa、4MPa、6MPa)的渗流实验。结果表明:当围压及孔压保持一致时,渗透率与层厚比呈现负相关的关系,类砂岩的比例是影响类砂-泥岩组合岩石渗透率的主导因素;当层厚比及孔压保持一致时,组合岩石的渗透率随着围压的增大而减小。(4)基于有效应力原理和质量守恒定律,通过引入组合岩石的弹性模量,建立了弹性状态下的类砂-泥岩组合岩石渗流-应力耦合控制方程,充分表征了层厚比对组合岩石应力场、渗流场的影响;岩石受载过程中会发生损伤,通过损伤后的弹性模量及修正渗透系数表征对组合岩石应力场和渗流场的影响,提出考虑损伤的不同层厚比类砂-泥岩组合岩石渗流-应力耦合模型。(5)将建立的类砂-泥岩组合岩石渗流-应力耦合方程代入COMSOL Multiphysics耦合软件中,采用数值模拟对试验结果的可靠性进行验证,通过分析层厚比对气体压力、渗透率的影响规律,揭示了层厚比是影响类砂-泥岩组合岩石力学性能与渗透机理的重要因素,试验结果与模拟结果具有很好的一致性,为深部地层开发和地下工程安全施工建设提供了一定的理论支撑。

关键词：组合岩石相似材料损伤力学特性渗流特性

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三向高应力岩体开挖卸荷诱发岩爆破坏机理

三向高应力岩体开挖卸荷诱发岩爆破坏机理

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作者：杨楠东北大学

学位级别：硕士

深部高地应力条件下的岩石由于受到构造应力与自重应力双重影响,受力呈现出复杂性,开挖所产生的力学响应明显不同于浅部,深部地下空间的相关研究成果滞后与工程实践活动的要求。因此,开展高地应力下开挖卸荷所产生的力学机制研究具有重... 详细信息

深部高地应力条件下的岩石由于受到构造应力与自重应力双重影响,受力呈现出复杂性,开挖所产生的力学响应明显不同于浅部,深部地下空间的相关研究成果滞后与工程实践活动的要求。因此,开展高地应力下开挖卸荷所产生的力学机制研究具有重要意义,可为岩爆预测提供理论依据,为我国深部地下空间与能源的开发利用中灾害防控问题的解决提供科学依据和分析手段。本文从岩石的非均匀性特征出发,使用RFPA3D分析工具,通过构造真三轴卸荷再加载数值试验模拟岩石开挖引起的应力转化路径,以研究开挖卸荷效应和应力集中的加荷效应诱发岩石破坏的孕育过程及破坏机理。论文主要取得如下成果:开展了真三轴条件下沿不同主应力方向卸荷诱发岩爆的数值试验,分析了不同主应力方向卸荷对岩爆破坏模式、破坏范围、破坏机理的影响。沿最小主应力方向卸荷时,易产生靠近临空面的局部性张剪复合破坏,最终形成剪切错动型岩爆破坏;沿中间主应力方向卸荷时,易产生整体性层状板裂破坏,最终形成张拉屈曲型岩爆破坏。单面卸荷后的岩爆破坏模式还与卸荷后岩石所处的应力状态密切相关。当沿最小主应力方向单面卸荷时,随着中间主应力的增大,岩爆的破坏模式逐渐发生改变:由单一的剪切破坏,向以剪为主的剪张复合破坏模式转变,最后再向张拉为主的张剪破坏模式发展;当沿中间主应力方向单面卸荷时,岩样均发生以张性裂纹为主的层状板裂型岩爆,但卸荷前中间主应力越高,则劈裂面的条数越多,劈裂板的厚度越小。组合岩石在真三轴加卸荷下的破坏位置与软硬岩石有关:岩石的破坏首先发生于并集中破坏于较软岩石的临空面和软硬岩石的交界面处,并向硬岩石内部扩展。在软岩的破坏裂纹更靠近临空面附近,硬岩裂纹距离临空面一定范围更靠近岩石内部。组合岩石的破坏模式与软硬岩石的高度有关:随着软岩高度比的增加,组合岩石破坏由剪切型破坏为主的剪张复合型破坏向以张性为主的张剪复合型破坏转变。组合岩石的破坏模式与软硬岩组合倾角有关:0-15°组合下岩石形成以拉破坏为主的贯通软硬岩石的张性破坏。30-45°组合岩石局部破坏特征显著形成V型岩爆坑,伴随沿着软硬岩石交界面的滑移破坏。60-75°组合倾角岩石滑移破坏显著,90°组合倾角形成拉破坏为主的破坏。真三轴双面卸除不同方向主应力,岩石的多个临空面附近均产生明显的声发射集聚现象,微裂纹集聚于两个临空面附近,形成两个具有对称性破坏的V型岩爆坑。双面卸荷下的再加载试验与单面卸荷试验得出了相似的结论,即双面卸除中间主应力易形成两个临空面附近的张性破坏裂纹,双面卸除最小主应力易形成具有对称性的剪切型破坏。与此同时卸荷后岩石的破坏模式与卸荷前的主应力状态有关。相较于未锚固岩石局部化破坏特征显著,破坏位置与锚杆支护数目和间距有关。岩石的破坏首先集中在未锚固区域的临空面附近并向岩石的内部扩展,形成剪切型的贯通裂缝。增加一定数目的支护锚杆和合理的锚杆布置间距在一定程度上可以抑制岩爆破坏,提高卸荷后岩石的承载能力,有效的抵抗岩石侧向变形。

关键词：深部岩体真三轴卸荷方向组合岩石 RFPA3D

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