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原文传递深埋隧洞岩爆及相关破坏的真三轴试验研究

论文题名：	深埋隧洞岩爆及相关破坏的真三轴试验研究
关键词：	岩石力学;深部工程;岩爆;板裂化破坏;剪切破坏;灾变破坏;节理裂隙
摘要：	岩爆是深埋隧洞开挖过程中一种常见的地质灾害现象，与开挖边界附近岩石的板裂化破坏和剪切或剪断滑移破坏密切相关，以岩石的剧烈动力、弹射破坏为主要特征，对工程安全具有极大威胁。岩石本身、地应力、地质条件、诱发条件等方面的复杂性和不确定性使得岩爆自然成为一个极其复杂的现象，当前岩爆破坏的过程、机制和规律仍不十分清楚，已成为深部工程建设中亟待解决的重要难题。鉴于此，本文围绕深埋隧洞岩爆及相关破坏与室内模拟试验开展一系列研究，主要内容如下：　　（1）分析围岩岩爆及相关破坏与室内模拟试验的关键问题，确定室内模拟试验与分析的基本策略和方法。结合已有研究分析岩石破坏和岩爆的能量演化和加载条件相关性，指出现场局部围岩的岩爆破坏受到围岩体系后继荷载和能量作用的影响和控制，现场围岩体系可视为一种无伺服控制的柔性加载体系，现场围岩的局部化破坏与室内试验中Ⅱ类岩石试样发生的局部化破坏由不同机制控制；分析洞室开挖围岩应力变化和岩爆及相关破坏时空分布，指出切向应力持续集中是岩爆及相关破坏发生的主要控制因素；分析不同室内试验策略模拟的优势和不足，确立考虑围岩体系不同后继作用的加载方案；分析声发射（AE）监测与分析的方式和方法，指出大量断裂发生时AE监测与分析可能受到信号重叠和衰减的较大影响和限制，确定本文AE分析以时序分析为主。　　（2）分析柔性加载下硬岩灾变破坏现象，结合AE与能量分析提出一种岩石灾变烈度倾向评价方法框架。指出柔性加载下硬岩倾向发生灾变破坏，这是岩石自身性质与加载条件共同作用的结果，与现场岩爆等灾害的发生情形相一致；提出岩石灾变破坏评价与传统的脆性评价有明显区别，灾变破坏的烈度与破坏前存储能量和破坏瞬间吸收能量并将大量能量快速消耗、释放的能力大小相关；结合AE和能量分析定量化估计灾变破坏瞬间可能消耗与释放的能量Udamp;rd，实现灾变烈度倾向评价。　　（3）开展不同硬岩（应变型）岩爆破坏的试验研究。对深部工程6种常见硬岩开展单面临空真三轴岩爆模拟试验，再现不同岩石的岩爆破坏。研究发现，对于花岗闪长岩、花岗岩（及大理岩）等晶粒尺寸较大、矿物组成复杂、均质性较差的岩石，加载前期开始应力诱发的微细观断裂大量发生，岩爆破坏时临空面附近发生明显张拉劈裂/板裂、破碎、弹射，远离临空面发生剪切断裂；对于玄武岩、砂岩（及灰岩）等细晶、均质或矿物颗粒严格交错内锁的岩石，直到临近峰值应力微细观断裂在局部区域发生，岩爆破坏（或脆性破坏）时临空面附近发生局部断裂、弹射，整体发生剪切或剪断滑移为主的破坏。上述两种岩爆破坏可分别概括为板裂屈曲-剪切断裂岩爆和剪切断裂岩爆，同板裂屈曲岩爆是应变型岩爆的3种不同的破坏模式。不同的岩爆破坏模式影响着岩爆预测及防控和倾向性评价的策略和方法，Udamp;rd和弹射碎屑的动能k对于岩爆倾向性评价具有不同意义。　　（4）开展硬岩板裂化和剪断破坏特性及其岩爆相关性的试验分析。选择代表性的花岗岩和砂岩开展不同中间主应力双轴和不同低最小主应力真三轴试验，再现硬岩板裂化和剪断破坏。研究发现，相较于自由状态，较小的中间主应力和最小主应力即可改变裂纹发展的空间模式，即平行于σ1→平行于σ1-σ2→三向受约束局部集中，显著提高岩石强度。对于侧向应力影响，粗晶的花岗岩较细晶的砂岩表现出更强的敏感性。变形控制的弱柔性加载下，板裂化破坏发生过程渐进，通常在峰后应力明显降低后发生，灾变烈度倾向通常较低，但破碎化特征明显；剪断破坏发生过程突发，通常在峰值应力附近发生，局部化特征明显，灾变烈度倾向较高，但破碎化程度较低。另外，极高中间主应力或应力控制的较强柔性加载下，板裂化结构倾向快速发生整体失稳，形成强烈岩爆弹射。侧向应力能够显著影响围岩的岩爆弹射破坏烈度倾向。板裂化破坏和剪断破坏过程中AE计数分别呈现出多峰和单峰加速发育，表明相较于剪断破坏，板裂化破坏的宏观断裂融合不仅在空间上分布离散，在时间上同样离散；该加速发育与Omori定律描述的地震等灾变前后断裂的幂律加速增长或消退相似，可据此进行岩爆预警预报。　　（5）开展节理裂隙对岩爆破坏影响的试验研究。通过在花岗岩代表性试样上预制不同分布的节理裂隙，在单面临空真三轴加载条件下实现含节理裂隙围岩岩爆或脆性破坏的试验模拟。研究发现，节理裂隙（除与切向平行的0°分布外）倾向在较低应力条件下启动与扩展并最终造成岩石整体破坏，能够明显降低岩石强度，改变岩石原有的板裂屈曲-剪切断裂的破坏模式，降低岩石破坏的灾变烈度倾向，最终明显削弱岩爆弹射破坏，这与较大尺度的结构面通常能够促进和加剧岩爆破坏有着明显的不同。
作者：	翟少彬
专业：	结构工程
导师：	燕柳斌
授予学位：	博士
授予学位单位：	广西大学
学位年度：	2022