不同饱水度花岗岩的真三轴岩爆试验研究

摘要

岩爆是在高应力条件下的围岩由于开挖或者其他扰动导致岩体中的弹性应变能突然释放，岩石发生松脱、猛烈弹射的现象，是深部地下工程中常见的危害性巨大的地质灾害。由于工程条件与地质条件复杂多样，岩爆发生机制尚未完全清晰，岩爆的预测与防治面临着巨大挑战，工程实践中发现岩石含水状态对岩爆具有显著影响，提出了围岩洒水、高压注水等岩爆防治措施，取得了一定的效果，然而水防治岩爆的内在机理尚未完全清楚，水对岩爆影响程度的研究大多停留在定性分析阶段。因此，深入研究不同饱水度花岗岩的内在岩爆机制，建立岩石含水状态与岩爆烈度的定量关系，对于揭示水对花岗岩岩爆的影响机制具有重要意义，对深部地下工程中岩爆的科学防治具有重要指导作用。
　　选取广西梧州市岑溪县的红色粗晶粒花岗岩，利用真三轴岩爆试验系统，开展四组不同饱水度花岗岩的真三轴岩爆试验，综合分析不同饱水度岩样的岩爆破坏过程、应力-应变曲线、母体破坏形态、碎屑粒径尺度、声发射信号、弹射动能特征，对不同饱水度花岗岩岩爆机制进行讨论，主要研究成果如下:
　　(1)岩样饱水度对其岩爆弹射动能具有显著影响，饱水度越高，弹射动能越小，两者之间呈现出单调线性的负相关关系:E=-2.36f+3.21（其中E为岩爆弹射动能，f为饱水度），岩爆烈度随岩样饱水度的提高而单调下降，最大降幅达74％，由此建立了水对花岗岩岩爆影响程度的定量化关系，对实际工程中围岩洒水、高压注水的岩爆防治措施具有重要指导意义。
　　(2)与天然岩样相比，饱水度大于0.3的岩样的峰值应力和屈服应力明显较低，从岩样出现小颗粒弹射现象到整体弹射的历时明显增加。随着饱水度的增高，岩样小颗粒弹射现象减少而小岩片剥落现象增多、岩板劈裂特征增强而外鼓现象减弱、岩爆坑体积减小、岩身主裂缝的剪切特征及贯通性增强、岩身微小裂纹增多、岩爆碎屑破碎程度增大、粒径的分布更均匀。
　　(3)随饱水度增高，岩样整体弹射时刻声发射撞击数增多，而释放能量总量呈减少趋势，能量释放率呈降低趋势，声发射撞击数时间分形维数Dt的变化由单峰向多峰过渡，反映了岩样的塑性变形特征增强。声发射信号上升时间的减小表明岩样饱水度增加促进了岩样的微破裂、断裂活动。
　　(4)水对岩石的作用主要是“软化”和“水楔”作用。“软化”作用导致岩石强度下降、储存应变能的能力减弱。“水楔”作用导致临空面岩板迅速张拉劈裂，岩板后方岩石剪切活动尚未充分进行，薄岩板已经受屈曲折断，岩爆立即发生。另外，水的黏性也会对弹射行为产生一定影响。这对“水防治岩爆”工程措施的内在机理进行了进一步的深入分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩爆试验研究现状

1．2．2 水对岩爆的影响研究现状

1．3 目前研究存在的不足

1．4 主要研究内容、方法和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法

1．4．3 技术路线

第二章 不同饱水度花岗岩的真三轴岩爆试验

2．1 引言

2．2 试验设备

2．3 加载方案

2．4 岩样制备与材料参数

2．5 试验分析方法

2．5．1 弹性应变能分析方法

2．5．2 岩爆碎块粒径分析方法

2．5．3 弹射动能估算方法

3．1 引言

3．2 不同饱水度花岗岩的岩爆破坏模式分析

3．2．1 岩爆破坏过程分析

3．2．2 应力-应变曲线分析

3．2．3 岩样母体破坏形态分析

3．2．4 岩爆碎屑粒径尺度特征分析

3．4 小结

第四章 不同饱水度花岗岩的岩爆声发射特性研究

4．1 引言

4．2 AE撞击数特征分析

4．2．1 AE撞击数演化过程分析

4．2．2 AE撞击数时间分形特征分析

4．3 AE绝对能量特征分析

4．4 AE信号波形参数变化特征分析

4．5 小结

第五章 不同饱水度花岗岩的岩爆弹射动能与岩爆机制分析

5．1 岩爆弹射动能释放规律

5．2 岩爆机制分析

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况