高应力储能岩体动力扰动破裂特征研究

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随社会经济的需求,人类地下开挖工程不断加深。深部岩体开挖处于典型的高地应力、高地温、高岩溶水压力及爆破、机械开挖动力扰动(“三高一扰动”)的特殊复杂力学环境。事实上,深部开挖岩体在受到诸如爆破震动等动载荷作用前,已处于很高的地应力场中,并储存较高弹性能量,因此,开挖岩体承受着初始静载、开挖动载以及弹性储能释放的共同作用。从深部岩体开挖所出现的岩爆及分区破裂化现象可以看出,在高应力储能岩体应力释放过程中有导致围岩破裂化的现象。故从高应力硬岩的受力特征出发,深入揭示高应力硬岩在应力卸荷及动力扰动作用下的岩体破坏特征的基础上,成为深部岩体开挖工程需要迫切研究的课题。鉴于此,本文利用动静组合加载试验装置,对高应力围压卸荷作用下应力储能试样动力扰动破坏特性进行实验研究。其主要研究内容及研究成果如下:1)高应力储能岩体围压卸荷损伤特性实验。利用动静组合加载实验设备及声发射设备,提出一种针对试样围压卸荷,并承受轴向静压加载条件下试样损伤变量的测量方法,通过不同围压卸荷速率模拟不同岩体开挖方式,得出试样储能释放强度、速度以及试样损伤变量与围压卸荷速率的变化规律。2)不同围压卸荷速率下损伤岩体动力学特性实验。针对不同卸荷速率下岩体的动态强度、能耗规律及破碎块度分布规律进行实验研究,得到试样损伤变量对试样动态强度、能耗规律及破碎块度分布的影响特征。3)不同动态应力波加载幅值下岩体动静组合加载力学特性实验。得到应力波幅值对岩石动静组合加载破坏特性的影响。通过能量与块度分维的分析,体现出岩体在高应力动力扰动破坏过程中,由外部扰动能量和高应力储能共同作用造成试样破坏。4)不同应力储能条件下岩石试样力学特性实验研究。得到应力储能及冲击能量对试样动力学破坏特性的影响规律。并建立应力储能岩体岩爆倾向性指标。该指标体现出激励型岩爆,不仅与试样本身特性有关,而且与所承受的静载应力储能及动力扰动能量密切相关,反映出激励型岩爆的发生受静载和动载两种因素的综合作用的影响。5)霍普金森压杆应力加载和高速摄像机同步控制系统,使所得试样破坏过程的高速摄像图像与应力加载时间相匹配。利用数字散斑方法,提出对圆柱形试样表面位移场进行光学测量监测方法。由此得到不同加载条件下,试样表面位移变化特征与试样破坏特征。
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