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原文传递复杂应力路径下花岗岩隧道开挖损伤演化研究

论文题名：	复杂应力路径下花岗岩隧道开挖损伤演化研究
关键词：	隧道开挖;花岗岩;损伤演化;应力路径分析;渗透特性
摘要：	脆性围岩中深埋隧道的开挖引起围岩中应力重分布，导致应力在隧道周围集中。当应力超过起裂应力后，围岩经历的复杂应力路径会促进裂纹的萌生、扩展，造成岩体损伤，引起岩体强度退化，最终导致围岩在较低的应力水平下发生脆性剥落破坏。深埋隧道的脆性破坏不仅影响工程的安全施工和长期安全运行，还会改变岩体的渗透特性。像高放废物处置库这种对渗透性敏感的地下工程，针对围岩开挖损伤区（EDZs）开展研究具有重要意义。本文以北山高放废物处置地下实验室建设为背景，针对岩石的脆性损伤以及复杂应力路径下深埋洞室围岩的损伤演化，开展了以下研究：　　（1）针对北山花岗岩确定了裂纹演化中的三个关键应力阈值，研究了不同应力水平损伤下花岗岩损伤演化过程，分析了不同应力水平损伤后花岗岩的渗透率变化。研究表明，北山花岗岩的裂纹闭合应力、起裂应力、裂纹损伤应力与单轴抗压强度的比值分别约为0.25、0.50、0.83。侧向残余应变确定的损伤参数可以较好的表征花岗岩中由裂纹扩展造成的脆性损伤。不同应力水平损伤后的北山花岗岩依然具有较低的孔隙率和渗透率，表明难以通过室内的渗透率测试来提前描绘开挖损伤区内岩体渗透性的变化。　　（2）对现存起裂应力确定方法进行了适用性分析，在此基础上提出了两种确定起裂应力的新方法。主要评价了常用的裂隙体积应变法、侧向应变响应法、累计声发射撞击法对于不同类型岩石的适用性。提出了侧向应变区间响应法，该方法所得结果具有更高的准确性和更小的离散性，并且适用于高孔隙率砂岩。提出了累计声发射撞击曲线斜率法，该方法对低孔隙率的北山花岗岩、大理岩以及高孔隙率的青砂岩、红砂岩都有较好的适用性和准确性。通过新提出的两种方法确定了北山花岗岩的两次起裂应力，同时通过增幅循环加卸载试验明确了裂纹在花岗岩内的萌生和扩展具有两个阶段，这两次起裂应力分别代表着裂纹开始在弱面上和坚硬矿物内的萌生。　　（3）对深埋花岗岩隧道的开挖进行了详细的三维应力路径分析，研究了复杂应力路径对花岗岩隧道开挖损伤演化的影响机制。研究表明，开挖面附近偏应力等于第一次起裂应力的轮廓线与最终的剥落深度吻合较好，隧道内偏应力等于第二次起裂应力的轮廓线与最终的剥落宽度吻合较好。开挖过程中应力方向发生了较大旋转，但是超过起裂应力后的旋转才能使岩体强度退化。为了量化开挖中的复杂应力路径，提出累计有效旋转角度概念，进而在一定程度上量化了岩体中的开挖损伤。在累计有效旋转角度和花岗岩两次起裂应力的基础上提出了应力路径法来描绘深埋花岗岩隧道的开挖损伤演化以及预测开挖损伤区范围。　　（4）利用应力路径法预测了ROOM418隧道和北山地下实验室斜坡隧道中的开挖损伤区。在ROOM418隧道中应力路径法预测结果与实际观测结果吻合较好；在本文不利条件下，位于新场地区的北山地下实验室斜坡隧道不会发生脆性剥落破坏，但是存在一定范围的开挖损伤，需要在现场关注开挖损伤区内岩体渗透特性的改变。
作者：	唐明豪
专业：	矿业工程
导师：	姜德义
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2021