不同应力路径下大理岩破坏的力学特性及破裂面的孕育机制

摘要

随着我国人口的增长和经济建设的持续发展，人们对空间的需求已经不仅仅局限在地上部分，地下空间的开发和利用正在逐渐成为城市建设的核心。地下工程开挖是一个复杂的加、卸荷过程，开挖过程中经常会出现坍塌、变形剧烈、岩爆等灾害，不仅影响整个工程的进度，更威胁施工人员的生命安全。因此对不同加、卸荷路径下岩体破坏机制的研究日益受到理论界和工程界的广泛重视。本文针对地下工程开挖特点，制定几种不同应力路径进行岩石加、卸荷试验研究，并在此基础上对岩石力学性质和失稳破坏机理进行探讨，从而为实际工程中判断岩体失稳提供依据。本文主要研究内容如下:
　　(1)通过加、卸荷试验，研究不同应力路径下大理岩的力学特性。结果表明:岩石的力学性质受围压、卸荷速率及应力路径的影响，加荷及加轴压、卸围压路径下，岩样的峰值轴压、轴向应变及达到峰值点的时间均随着围压的增加逐渐增大，与围压呈线性关系。加轴压、卸围压路径下，围压相同，卸荷速率高的岩样最先发生破坏。岩样的强度、应变随卸荷速率的升高而减小，围压越高，卸荷速率对岩石变形的影响越明显。与加荷相比，卸荷能够降低岩石的承载力。与恒轴压、卸围压路径相比，卸荷速率较低时，加轴压卸围压路径下岩石承载力更高;卸荷速率较高时，两种卸荷路径下，岩石的变形特征没有显著差别。
　　(2)通过岩石破坏后宏观破坏面的分析得出:岩石的破坏形态受围压和卸荷速率的影响。常规三轴试验中，主要呈现剪切破坏（单轴压缩为劈裂破坏），破坏角随围压升高而减小。加轴压、卸围压应力路径下，岩样破坏形态包括主剪切破坏、剪切加劈裂破坏和共轭剪切破坏三种。围压较低时，岩样破坏形式主要为剪切加劈裂型破坏，个别试样出现共轭破坏;围压较高时，岩样破坏以剪切为主，其中围压高且卸荷速率低时，岩样中部出现剪胀。围压相同卸荷速率愈高岩样破坏角愈大，卸荷速率相同围压愈高岩样破坏角愈小。应力控峰前恒轴压、卸围压试验中，不同卸荷速率下岩样均以剪切破坏为主，剪胀现象不明显，卸荷速率越高剪切面越小。
　　(3)通过对破裂面的分形研究发现，用改进的立方体覆盖法进行破裂面分形维数计算时只有观测尺度小于4.2mm时，破裂面才表现出分形性质。单轴压缩路径下破裂面分形维数比常规三轴加荷大;加轴压、卸围压路径下围压较低时，破裂面的分形维数值在三种应力路径中最大，岩样破坏形态最为复杂;加轴压、卸围压路径下，大理岩破裂面分形维数值与大理岩的峰值强度、破坏强度呈相关关系。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 岩石加卸荷破坏机理的国内外研究现

1．2．2 分形的国内外研究现状

1．3 存在的问题

1．4 研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 不同加、卸荷条件下大理岩力学试验

2．1 试验条件及方案

2．1．1 试验条件

2．1．2 试验方案

2．2 加荷试验分析

2．2．1 变形特征

2．2．2 强度参数

2．2．3 破坏特征

2．3 应力控峰前加轴压、卸围压试验分析

2．3．1 应力-应变曲线

2．3．2 卸荷初始围压的影响

2．3．3 卸荷速率的影响

2．3．4 破坏特征

2．4 应力控峰前恒轴压、卸围压试验分析

2．4．1 应力-应变曲线

2．4．2 卸荷速率的影响

2．4．3 破坏特征

2．5 不同应力路径对岩石破坏的影响

2．5．1 变形特征

2．5．2 强度特征

2．6 本章小结

第三章 分形理论及破裂面三维定量描述

3．1 分形理论简介

3．1．1 分形理论定义

3．1．2 分形理论在岩体工程中的应用

3．2 破裂面三维形貌测量

3．2．1 投影栅线法简介

3．2．2 试验设备及步骤

3．3 大理岩破裂面的分维形数计算

3．3．1 破裂面分形维数计算方法

3．3．2 破裂面分形维数计算实例

3．4 本章小结

第四章 大理岩破裂面形态及分形规律研究

4．1 加荷试验破裂面分析

4．1．1 破裂面宏观形态分析

4．1．2 破裂面分形研究

4．2 应力控峰前加轴压、卸围压

4．2．1 破裂面宏观形态分析

4．2．2 破裂面分形研究

4．3 应力控峰前恒轴压、卸围压

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研工作

致谢