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高应力下脆性岩石力学特性及细观演化机制研究

作　者: 段海波
导　师: 丁秀丽
学　校: 长江科学院
专　业: 岩土工程
关键词: 岩石力学真三轴试验高地应力 PFC2D/PFC3D应力路径隧洞开挖结构面
分类号: TU45
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

脆性岩石深部开挖伴随的岩爆等现象与脆性岩石在高地应力复杂应力条件下的变形破坏演化机制有密切关系，随着应力水平的提高，应力的路径的复杂化，脆性岩石的变形破坏规律及强度变化规律表现出与浅部低应力条件下极大的不同，采用传统的本构及强度模型不能很好的描述其变形破坏特征。现阶段关于脆性岩石高地应力条件下变形破坏演化机制的研究十分有限，作为脆性岩石开挖稳定及防治措施理论的基础，如何深入认识脆性岩石力学特性已经成为一个亟待解决的问题。鉴于此，本文以真三轴试验研究为基础，借助PFC3D中的颗粒块理论，建立了精细的岩石数值模型，提出了脆性岩石真三轴加载/卸载方法和控制流程以及细观参数的确定方法，实现了不同应力路径不同应力水平下脆性岩石变形破坏机制及强度准则适用性方面的研究，对真三轴试验和数值试验进行了详细对比，深化拓展了对脆性岩石变形破坏演化机制和强度规律的认识。本文主要工作和研究成果如下：1．绪论系统归纳总结了当前脆性岩石的研究现状、研究方法以及主要结论，分析了其中存在的主要问题。在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法，确定了脆性岩石试验的主要技术路线和实施方案。2．第二章进行了大理岩真三轴试验，得到了其变形、强度、破坏、能量、声发射、超声波的变化规律，并以此深入分析了四种应力路径下脆性岩石的变形破坏演化规律。3．第三章分析了PFC^3D颗粒块建模方法、常用模型参数及研究步骤。对颗粒细观参数进行了敏感性分析，研究了岩石宏观参数和细观参数之间的对应关系，结果表明岩石弹性模量、泊松比、峰值强度与颗粒刚度、摩擦参数系、粘结强度，粘结刚度、颗粒块形状、颗粒块占模型比例呈线性或对数关系。4．通过PFC^3D数值试验，对四种应力路径下的高中低应力水平进行了单个试样的精细模拟及对比，结果表明低应力条件下拟合效果不佳，高应力条件拟合效果较好。破坏机制方面，试验方案二卸载破坏模式，真三轴试验随着围压增大表现出拉剪-剪拉-剪切破坏的变化规律，而数值试验的结果是张拉-张拉-拉剪破坏的变化规律。5．通过利用真三轴试验平均参数反演得到的细观参数进行五个方案的数值试验，对两个围压方向的变形进行了详细分析，尤其是数值试验方案三、四，对每一个最小主应力，存在一个临界中间主应力，在试样破坏之后的变形由膨胀转为挤压。对前四个方案中拉破了和剪破裂数量随应力水平应力路径的变化进行分析，发现拉破裂主导的试样宏观表现为张拉破裂模式，拉剪破裂相当的表现为拉剪或者剪拉破坏模式，剪破裂主导的表现剪破裂的宏观破坏模式。数值试验方案五着重在强度准则的适用性方面进行了研究，发现考虑中间主应力变化的修正Wiebols-Cook强度准则最适用于描述岩石材料数值模型的强度规律。6．通过PFC2D模拟了不同应力水平下圆形隧洞开挖，研究了其破坏规律，结果表明，破坏以拉破了为主，应力水平越高，破坏范围越广，越容易出现应变型岩爆现象，但范围相对较小。模拟了45°结构面对圆形隧洞开挖的影响，结果表明结构面离开挖面由远到进，岩爆类型由应变型岩爆变为以结构面为破坏边界的破坏类型，并且范围相对较大。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-11
第一章绪论  11-20
  1.1 选题依据和研究意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-17
    1.2.1 脆性岩石力学特性研究  12-14
    1.2.2 脆性岩石变形破坏的颗粒离散元数值模拟  14-17
  1.3 本文的研究内容及技术路线  17-20
    1.3.1 本文研究内容  17-18
    1.3.2 采用的技术路线  18-20
第二章脆性岩石变形破坏特性试验研究  20-62
  2.1 引言  20-21
  2.2 脆性岩石变形破坏性能的试验程序  21-26
    2.2.1 岩石试样的性质和制备  21
    2.2.2 岩石试验设备和控制方法  21-25
    2.2.3 岩石试验目的、方案设计和步骤  25-26
  2.3 脆性岩石变形破坏特性规律分析  26-55
    2.3.1 脆性岩石的变形特征  26-35
    2.3.2 脆性岩石的强度特征  35-39
    2.3.3 脆性岩石的破坏特征  39-48
    2.3.4 脆性岩石的超声波特征  48-55
  2.4 脆性岩石强度与变形破坏机理分析  55-61
    2.4.1 脆性岩石的起裂强度和失稳强度  55-59
    2.4.2 脆性岩石的损伤演化规律  59-61
  2.5 本章小结  61-62
第三章 clump 原理介绍及岩石材料宏细观参数研究  62-89
  3.1 PFC~(3D)概述  62-63
  3.2 clump 模型原理介绍  63-69
    3.2.1 clump 的质量属性  64
    3.2.2 clump 的运动方程  64-67
    3.2.3 clump 中的近似计算  67-68
    3.2.4 clump 计算时接触的周期更新  68
    3.2.5 clump 中颗粒的添加和释放  68-69
  3.3 粘结模型  69-73
    3.3.1 接触粘结模型  70-71
    3.3.2 平行粘结模型  71-73
  3.4 采用 clump 生成岩石模型  73-78
    3.4.1 颗粒模型的生成  73-75
    3.4.2 颗粒团岩石模型的生成  75-78
  3.5 岩石颗粒块模型宏细观参数研究  78-86
  3.6 颗粒流程序数值试验的一般步骤  86-88
  3.7 本章小结  88-89
第四章基于 PFC~(3D)的脆性岩石细观变形破坏机理研究  89-125
  4.1 数值模拟试验内容及方案设计  89-94
    4.1.1 数值模拟试验主要内容  89-90
    4.1.2 试验方案设计  90-91
    4.1.3 真三轴加/卸载试验控制流程  91-93
    4.1.4 真三轴试验后处理  93-94
  4.2 试验模型的建立  94-95
  4.3 真三轴试验与细观数值模拟试验对比分析  95-103
  4.4 不同应力路径下岩石细观力学数值模拟试验研究  103-123
    4.4.1 岩石加载变形破坏全过程的数值模拟试验分析  103-107
    4.4.2 岩石峰前卸载变形破坏全过程的数值模拟试验分析  107-111
    4.4.3 岩石复杂应力路径加卸载变形破坏全过程的数值模拟试验分析  111-118
    4.4.4 岩石中间主应力效应及强度准则研究  118-123
  4.5 本章小结  123-125
第五章基于 PFC~(2D)的硬岩岩爆灾变机制研究  125-133
  5.1 应力水平和应力状态对岩爆灾变的影响规律  125-128
    5.1.1 水平应力为大主应力时  125-127
    5.1.2 竖直应力为大主应力时  127-128
  5.2 结构面的空间位置对岩爆灾变的影响规律  128-132
  5.3 本章小结  132-133
第六章结论与展望  133-137
  6.1 主要结论  133-136
  6.2 展望  136-137
参考文献  137-143
致谢  143

高应力下脆性岩石力学特性及细观演化机制研究

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