基于岩石蠕变试验的时滞型岩爆孕育机理研究

论文摘要

岩爆是指围岩因开挖扰动而造成内部弹性应变能突发性地极剧释放,进而造成松脱、剥落、弹射甚至抛掷的动力失稳现象。岩爆按发生时间可分为时滞型岩爆和即时型岩爆。其中,时滞型岩爆由于发生在围岩开挖完成后的数小时至数十小时,对施工人员及施工设备的威胁更大。本文以某抽水蓄能电站地下厂房处新鲜花岗岩为试验对象,首先确定了判定岩石卸载点的方法,并对试验用花岗岩的岩爆倾向性进行了判定。然后,分析了长期荷载作用下花岗岩的蠕变特性,并利用细菌觅食法对蠕变试验采用广义开尔文模型和饱依丁-汤姆逊模型进行参数反演分析。最后,对时滞型岩爆的孕育机理进行了研究。具体成果如下:（1）岩爆倾向性指数Wet需要将岩石加载至临近峰值强度而后卸载,而岩石的峰值强度在试验前难以确定,故导致岩石的卸载点难以确定。针对这一难题,通过单轴压缩试验,对比分析了岩石的裂纹损伤应力和声发射平静期的末期应力,发现二者均位于岩石破坏前的能量积累阶段,且均为岩石峰值强度的80%以上。但现有的试验仪器一般难以自动显示和监测岩石的体积应变,故认为可以利用声发射监测的手段进行岩石卸载点的判定。同时,室内试验和现场微震监测表明,该地下厂房处的新鲜花岗岩具有轻微岩爆倾向性。此外,由室内试验和现场监测结果对比分析认为,在硬岩的岩爆倾向性判定中,Kidybinski判据的判定范围明显偏小,而Singh判据则基本合适。（2）通过单轴加载和三轴卸围压蠕变试验研究了花岗岩的蠕变特性。结果表明,在第一级荷载施加完成后,岩石在短时间内进行应力重分布,变形略有提升。在之后的蠕变过程中,岩石的变形主要集中在荷载变化时期,而在持荷时期变化不明显。在该阶段,岩石平行于开挖方向上的变形持续增加,而垂直于该方向上的变形增长不大。同时,岩石在该阶段产生剥离现象,变形有所增加。在达到临界荷载之后,岩石在短时间内经历了初始蠕变、等速蠕变和加速蠕变阶段,产生较大变形,最终发生破坏。最后,采用细菌觅食法,对蠕变试验采用广义开尔文模型和饱依丁-汤姆逊模型进行参数反演分析,得到了2种模型的蠕变方程。反演分析结果表明,2种模型均能够较好地反映花岗岩初始蠕变和等速蠕变阶段的蠕变特性,且误差较小。（3）通过在蠕变试验中进行声发射监测,分析了花岗岩在蠕变过程中的能量耗散规律和微裂隙扩散规律,并以此对时滞型岩爆的孕育机理进行了研究。研究结果表明,在前期开挖过程中,岩石内已经有微裂隙的产生并有所扩展,并伴随一定的能量耗散。岩石内的主裂隙形成,岩石产生剥离现象,岩爆体初步形成。在开挖完成后,岩石由于施工扰动产生应力重分布,声发射数和能量耗散有所激增。该阶段主要发生原始微裂隙的扩展,仅有少量新的微裂隙产生。之后,岩石进入稳定发展阶段,声发射数和声发射能量均维持在较低水平,即出现声发射平静期。该阶段虽有新的微裂隙产生但扩展速度缓慢,岩石在进行破坏前的能量积累。由于该阶段接近岩石的最终破坏,因此可以作为岩爆预警的重点监测阶段。在破坏阶段,岩石在短时间内产生较大的能量耗散,微裂隙迅速扩展并最终贯通,岩石发生破坏,即产生岩爆现象。总之,可以利用声发射监测的手段进行岩石卸载点的判定。同时,花岗岩具有蠕变特性,且广义开尔文模型与饱依丁-汤姆逊模型均能够较好地反映花岗岩初始蠕变和等速蠕变阶段的蠕变特性。此外,岩石在经过前期积累阶段、开挖后应力调整阶段、稳定发展阶段后,最终形成时滞型岩爆。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李栋

导师: 周火明,郭喜峰

关键词: 岩石卸载点,声发射监测,蠕变试验,时滞型岩爆,孕育机理,细菌觅食法

来源: 长江科学院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 长江科学院

分类号: TU45

总页数: 82

文件大小: 4122K

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