裂隙性岩石力学特性及裂隙性围岩破裂机理研究

摘要

我国川西地区地下工程施工开挖中，普遍遇到宏、细观节理裂隙发育的坚硬脆性岩石及岩体，由此引发的围岩脆性劈裂、片帮、岩爆和突水等工程灾害，危及隧洞的施工及运营安全。为此，受国家自然科学基金(编号:41272321)资助，本文从坚硬脆性岩石天然发育的裂隙网络几何特征统计分析入手，在裂隙发育的坚硬岩石力学特性及其隧洞围岩破裂机理方面开展了以下研究工作:
　　(1)为研究岩石裂隙形成机理和裂隙性隧道围岩破裂机制，提出了一种适用于复杂裂隙网络几何特征定量分析和评价的方法，应用于四川泥巴山流纹岩试样裂隙特征的分析评价，成功构建了该种流纹岩的裂隙网络模型和泥巴山隧道裂隙性围岩结构力学模型。
　　(2)借鉴复合材料细观力学原理，引入考虑裂隙相互作用的“相互作用直推法(IDD)”，与不考虑裂隙相互作用的“稀疏法(Dilute Method)”、Giordano模型，和考虑裂隙相互作用的改进Taylor模型进行对比分析，论证了IDD法具有优势;采用IDD法探讨了裂隙发育密度、几何形状、倾角和充填性质等因素对岩石等效弹性模量的影响;结合本文提出的裂隙网络几何特征定量分析方法，提出了一种新的复杂裂隙性岩石等效弹性模量的计算方法，其可靠性得到试验所验证。
　　(3)提出了“裂隙-裂隙充填物-岩石”构成的三相“复合岩石”模型，利用“复合岩石”模型试样进行单轴压缩试验，研究了该“复合岩石”的压剪破裂机理;引入“断裂体积”参数代替“断裂面积”参数，提出了“复合岩石”压剪断裂的体积断裂能指标Gf-V的计算方法;根据三组试样体积断裂能指标试验结果，提出了体积断裂能的双线性前边界效应模型，据此模型分析了非均质充填物内微裂隙对“复合岩石”断裂特性的影响机理。
　　(4)利用采自泥巴山隧道工程区的天然裂隙性流纹岩，制作“半圆拱+直墙+平底”的城门拱形隧洞模型试样，进行双轴压缩试验，测试围岩的动态破裂过程和围岩典型位置的应变，分析和揭示了天然裂隙性坚硬脆性隧洞围岩的破裂机理。结果表明，隧洞底板和拱顶首先出现张裂，张裂隙向围岩深部（上、下）扩展，边墙发生板裂化破裂，并逐步向隧洞围岩内部发展，形成V形损伤破裂区，拱脚形成局部压碎区。
　　(5)采用双轴压缩试验研究了城门形隧洞拱顶和底板近距较大裂隙发育围岩的破裂机理。试验表明，围岩的破裂从大裂隙剪切滑移开始，拱顶围岩受近距大裂隙的影响出现多条竖向张性新裂隙，引起拱顶围岩破裂，洞底板大裂隙向隧洞边墙和起拱部位扩展，造成围岩显著的非对称性破裂特征。
　　(6)基于离散元颗粒流介质数值PFC2D软件，分别模拟分析了完整性隧洞围岩和裂隙性隧洞围岩在双轴压缩下的破裂裂隙起裂扩展和原生裂隙扩展特性，数值模拟分析得到的裂隙性坚硬围岩细观破裂机理和宏观发展趋势与试验结果基本吻合。
　　(7)采用硬脆性类岩石模型材料，制备含初始板裂化边墙的拱形隧洞模型，双轴压缩下围岩呈脆性破裂特征，拱顶围岩整体下沉，板裂化边墙受压屈曲破裂，并向隧洞内突破形成楔形破裂区，与流纹岩隧洞模型具有类似的破裂模式;但是，由于板裂缝的存在，边墙中部和底部围岩切向应力减小，破裂区在0.4R范围内。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景及意义

1．2 裂隙性岩石力学特性研究现状

1．3 裂隙性隧洞围岩破裂机理研究现状

1．4 研究现状综述

1．5 主要研究内容、研究思路与方法

第2章 岩石天然细观裂隙网络分析

2．1 Oda裂隙结构张量概述

2．2 Oda裂隙结构张量理论(crack fabric tensor theory-CFTT)

2．3 裂隙性流纹岩力学特性的CFTT分析

2．4 岩石天然裂隙网络几何荷载分析与方法

2．5 本章小结

第3章 裂隙岩石细观力学研究

3．1 细观力学概述

3．2 相互作用直推法(IDD)

3．3 裂隙性岩石等效力学特性的细观力学原理

3．4 裂隙性岩石等效力学特性的影响因素分析

3．5 含随机分布裂隙岩石等效力学特性分析

3．6 实例

3．7 本章小结

第4章 充填性裂隙岩石断裂机理研究

4．1 复合岩石模型的提出

4．2 试验设计

4．3 砂浆充填裂隙性岩石的破裂机理

4．4 含裂隙砂浆充填复合岩石的断裂能分析

4．5 本章小结

第5章 裂隙性坚硬隧洞围岩破裂机理试验研究

5．1 概述

5．2 试验方案设计

5．3 宏观变形特征分析

5．4 硬脆性隧洞围岩应力特征

5．5 裂隙对硬脆性隧洞围岩破裂模式的影响机理

5．6 硬脆性隧洞围岩破裂的离散元数值分析

5．7 本章小结

第6章 板裂状隧洞边墙破裂机理模型试验研究

6．1 概述

6．2 板裂化隧洞边墙模型试验设计

6．3 试验结果分析

6．4 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

博士期间发表的论文及科研成果