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原文传递深部隧洞应变型岩爆真三轴试验与动能预测研究

论文题名：	深部隧洞应变型岩爆真三轴试验与动能预测研究
关键词：	深部隧洞;应变型岩爆;真三轴试验;动能预测
摘要：	岩爆是深部隧洞开挖过程中常见的工程地质灾害，通常伴随着岩石块体的快速弹射。岩爆的发生具有突发性、随机性和破坏性，往往会阻碍施工的顺利进行，甚至还会造成人员伤亡。随着地下工程不断向深部发展，岩爆灾害问题日益凸显，已然成为目前地下深部隧洞工程中亟待解决的难题。开挖后应力集中诱发的应变型岩爆是最为常见的岩爆类型，因此，开展应变型岩爆试验及其动能预测研究有助于揭示岩爆机理和预测岩爆发生。本文研究内容和相关结论如下: 　　(1)提出非主应力空间受力状态下岩爆过程真三轴试验方法。基于代表性岩体单元和非主应力空间的概念，采用厚度较大的花岗岩岩样模拟深部隧洞开挖后距离自由表面一定范围内岩体的受力状态;利用“单面临空-五面受力-竖向加载”的应力路径成功模拟地下洞室开挖后围岩切向应力逐渐增加的过程。基于新的试验方法，利用具有三向独立加载功能的真三轴岩爆试验机，开展室内应变型岩爆试验研究。　　(2)提出了一种定量化估算室内岩爆动能的方法。采用专业运动图像分析软件Image ProPlus7.0分析高速摄像机获取的岩爆弹射破坏过程数字影像，追踪指定岩石碎块的飞行轨迹，利用碎块的飞行距离与所用时间来计算其弹射速度，实现岩爆弹射动能的定量化估计。　　(3)开展不同隧洞径向应力梯度下应变型岩爆试验研究。发现径向应力梯度对应变型岩爆具有不可忽视的影响。随着径向应力梯度的增加:岩样的劈裂破坏减小，逐渐被剪切破坏主导，表明岩爆的模式由张拉型岩爆转化为剪切型岩爆;岩样的强度不断增大，增幅逐渐降低;弹射动能表现出先缓慢增加，后快速增加，最后再缓慢增加（增幅很小）的三线型变化趋势。较高径向应力梯度下的岩爆试验结果表明:现场高的径向应力梯度水平（支护）能够在一定程度上抑制岩爆的发生，但同时也可能促成更为强烈的岩爆，大大增加工程风险。　　(4)开展不同隧洞轴向应力下应变型岩爆试验研究。发现轴向应力对应变型岩爆具有重要的影响。随着轴向应力增大，岩样的峰值强度先增大后减小，弹射块体的动能和岩爆烈度的表现出先不断增大、然后逐渐减少、最后急剧增大的变化趋势。其中，弹射块体的动能随轴向应力的变化趋势可通过岩样的峰值强度、轴向应力对岩样的约束效应和轴向应力产生的泊松效应来进行解释。　　(5)开展不同隧洞切向应力加载速率下应变型岩爆试验研究。发现切向应力加载速率对应变型岩爆具有显著的影响。随着加载速率的增大，岩样的破坏模式逐渐由无弹射的脆性破坏（劈裂破坏）转化为动力岩爆弹射破坏，岩样的强度呈现出对数增长变化趋势，而岩块弹射动能表现出指数增长变化趋势。此外，发现岩爆弹射动能不仅与峰前集聚的弹性应变能有关，也与峰后能量输入有关，并取决于峰后能量释放的速率。　　(6)分析室内岩爆弹射和岩样的破坏特征，可进一步了解应变型岩爆的孕育和发生过程及其能量演化。应变型岩爆的弹射破坏过程可分为颗粒弹射、劈裂成板、岩板鼓胀以及板折弹射四个阶段;单面临空五面受力条件下岩样的能量演化过程可分为:弹性应变能能量逐渐累积、弹性应变能快速耗散以及弹性应变能剧烈释放。此外，根据真三轴花岗岩岩爆弹射动能随各影响因素的变化规律，建立岩爆弹射动能预测模型。　　(7)提出了基于二维离散单元法的现场岩爆弹射动能预测方法。首先，通过模拟室内花岗岩的岩爆过程，验证采用二维离散元方法描述岩爆弹射破坏的可行性。其次，提出“二步法”数值模拟方法，并将其用于锦屏Ⅱ级水电站引水隧洞岩爆数值研究，验证“二步法”离散元方法的可行性。最后，开展不同岩爆坑内岩石破碎情况下的现场岩爆试验，定量化分析在特定边界和应力条件下岩爆弹射的动能范围;通过二维V型岩爆坑转化为三维体的方法，将二维数值模拟获得的动能转换为实际三维弹射动能，实现现场岩爆弹射动能的定量化预测。
作者：	蒋剑青
专业：	水工程结构与水安全
导师：	苏国韶
授予学位：	博士
授予学位单位：	广西大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文