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原文传递梯度应力与气液复合加载岩爆模型试验与岩爆判据研究

论文题名：	梯度应力与气液复合加载岩爆模型试验与岩爆判据研究
关键词：	深部隧道;应变型岩爆;梯度应力;破坏机制;能量演化规律
摘要：	随着我国“三深一土”战略的提出，交通、水利、矿产资源开采、工业废料及CO2地质封存等一系列工程建设已迈向地下深部空间发展。深部岩体的赋存环境极其复杂，在地下工程的施工过程中常面临“三高一扰动”的难题。深部岩体开挖后，硐壁围岩的应力集中常导致其弹性贮能的非均匀释放，从而引起突发性的岩爆灾害。目前在岩爆机理及其预测研究方面，尽管许多学者考虑了围岩应力路径对应变型岩爆的影响，但是普遍存在忽视应力场条件中不同围岩应力梯度对应变型岩爆及其成灾机制的影响研究，对其缺乏系统的认知。而不同的应力梯度必然导致围岩主应力比及主应力方向的变化，从而导致围岩裂纹演化规律的变化，进而影响岩爆的破坏机制及其预测的准确性。因此，针对梯度应力作用下岩爆模型试验与岩爆判据研究，对于认识应变型岩爆机理及提高岩爆灾害的防控水平，具有重要的理论价值和应用前景。　　针对上述问题，本文在理论分析深部隧道围岩受力状态及其对围岩破裂模式的影响规律基础上，针对高地应力岩体所处的应力环境及开挖卸荷所经历的应力路径，开展4种不同梯度应力作用下室内岩爆模型试验，研究不同梯度应力加载下的模型岩爆破坏机制及能量演化规律。以室内岩爆试验成果为基础，建立颗粒流细观仿真模型，对模型受力-损伤-破坏及能量演化的整个过程进行研究，从细观角度揭示不同梯度应力加载下的岩爆机理，并进一步结合工程岩爆实例，建立考虑围岩应力分布的岩爆预测判据。论文的主要研究内容与成果如下：　　(1)基于现场应变型岩爆现象的总结，根据围岩破裂模式将应变型岩爆分为3类：拉伸型岩爆、拉-剪型岩爆和剪切型岩爆。基于弹性力学及断裂力学理论对深部隧道围岩的受力状态及破裂模式影响因素的分析，结果表明，隧道围岩应力梯度变化率与硐径、围岩所处位置及侧压力系数等因素有关，围岩应力梯度通过改变围岩主应力比及主应力方向对岩爆破裂产生影响。　　(2)结合刚度理论及实际工程中的围岩受力特点，阐述了模型试验采用梯度与气液复合加载方式的合理性。开展了4组不同应力梯度加载的岩爆模型试验，对模型受力及破坏现象进行分析。研究表明，模型岩爆受力及破坏过程与实际工程岩爆过程相一致，岩爆破坏荷载及岩爆烈度均受应力梯度的影响，随着加载应力梯度的增大，模型破坏荷载降低，岩爆烈度增强。　　(3)开展了模型试验典型岩爆碎屑的宏-微观断裂面形貌分析，发现板片状碎屑是由拉伸破坏所形成，块状碎屑是由剪切破坏形成。通过基于高斯混合模型GMM的声发射特征参数法对不同梯度应力加载下模型破裂的演化过程进行分析，结果表明，随着加载应力梯度的增大，模型剪切破坏比例逐渐增大，岩爆类型由拉伸型岩爆向拉-剪型岩爆和剪切型岩爆过渡。　　(4)开展了模型岩爆碎屑动能统计、模型内部卸载面附件应变及岩爆声发射能量的监测分析，发现随着加载应力梯度的增大，单位质量岩爆碎屑平均抛掷动能呈增大的趋势，且模型岩爆能量在空间上越趋于模型卸载面释放，在时间上越趋于岩爆前瞬间释放。　　(5)基于不同梯度应力加载下试验模型强度特征值，分析了岩爆能量积累-耗散-释放过程，结果表明，随着加载应力梯度的增大，模型岩爆在加载过程中能量累积段时间变长、耗散段及释放段时间变短。基于声发射b值特征及能量概率密度分布，探究了模型岩爆发生时的能量前兆规律，结果表明，加载应力梯度越大，模型在岩爆破坏瞬间，声发射b值下降幅度越大、降低速率越快；声发射能量满足幂函数衰减定律，应力梯度作用主要影响能量概率的临界指数r，随着模型加载应力梯度的增大，临界指数r呈现减小的趋势。　　(6)采用PFC2D模拟了不同应力梯度加载下的岩爆模型试验，在验证模型适应性的基础上，对模型细观破裂及能量演化过程进行分析。结果表明，模型岩爆破坏表现为从局部破坏(能量耗散)到整体失稳(能量释放)的过程，随着加载应力梯度的增大，模型岩爆前弹性储能占比增大，岩爆破坏时能量释放率增大；微裂纹发展表现为由模型上下部孕育向中部扩展贯通的过程，且随着应力梯度的增大，拉伸裂纹由有向性向无向性发展，而剪切裂纹由非对称性向对称性发展。　　(7)针对梯度应力作用下的模型岩爆规律，提出了应力集度的概念，以大量工程岩爆实例为基础，开展了围岩应力集度及应力大小的双参量岩爆烈度经验拟合，建立了考虑围岩应力分布的应力强度比岩爆判据并进行工程验证。验证结果表明，考虑围岩应力分布的应力强度比岩爆判据简单实用，较传统应力强度比岩爆判据可明显提高岩爆预测准确率，对工程实际岩爆预测有较好的适应性。
作者：	刘夕奇
专业：	岩土工程
导师：	夏元友
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021