关键词：
主应力方向
应力场
主应力轴旋转
力学特性
分形维数
破坏机理
摘要：
随着交通、水利水电、矿山开采等深部岩体工程的日益增加,工程建设中遇到的岩体性质越来越复杂,深部岩体工程在开挖过程中会使得围岩应力发生重分布,包括主应力大小变化和主应力方向旋转。现阶段的常规岩石力学试验主要进行主应力量值变化的试验研究,考虑主应力轴旋转的岩石力学试验研究尚处于起步阶段,并且由于实现主应力旋转的岩石力学试验设备缺乏,深部岩体工程中主应力旋转的问题基本集中于数值模拟研究。因此,目前在主应力旋转条件下岩石力学特性研究仍不充分,主应力旋转下围岩破坏机理仍不明确。相对于浅部工程,深部地下岩体开挖过程中主应力梯度更大,围岩力学性质、破坏条件和形式更为复杂,为保障工程施工的安全进行,必须开展深部岩体复杂应力路径下岩石力学特性和机理研究。本文采用“工程模拟分析→力学现象揭示→室内试验研究→力学特性分析→破坏机理揭示”的总体研究思路,首先,通过深长隧道开挖数值模拟研究了围岩主应力和损伤变形时空演化规律,揭示了开挖过程中主应力方向旋转力学现象;其次,针对主应力旋转下岩石力学问题,采用岩石空心圆柱扭剪试验系统,进行了红砂岩空心圆柱常规三轴压缩试验和主应力旋转试验;在此基础上,对比分析了主应力旋转和不旋转条件下红砂岩力学特性和破坏特征,最终揭示了主应力旋转下红砂岩破坏机理,为深部地下工程安全、高效施工提供科学依据。本文主要的研究成果和结论如下:(1)对深长隧道开挖过程进行了三维数值模拟研究,获取了开挖过程中围岩应力场的时空演化规律,发现围岩不同位置主应力方向和主应力大小变化均可分为3个阶段:微小调整阶段、快速调整阶段和平稳变化阶段。通过破坏接近度(FAI)对隧道开挖过程中围岩的损伤演化规律的定量描述,表明受开挖影响的围岩损伤演化与主应力方向演化规律基本一致,主应力方向变化对围岩损伤孕育演化有重要影响。基于应力三维度等评价指标,对隧道开挖过程中围岩的应力状态变化进行了分析,发现在掌子面穿过监测断面时,围岩的应力状态变化表现为压→剪→拉→压的转换过程,同时伴随主应力旋转力学现象。(2)采用薄壁圆筒理论对岩石空心圆柱中单元体的应力状态进行了分析,结合岩石空心圆柱扭剪试验系统,推导了空心圆柱中单元体的应力和四个独立试验荷载的转化关系,进一步对常规岩石力学试验(单轴压缩试验、抗拉强度试验以及三轴压缩试验)和主应力旋转力学试验的应力路径、试验方法和技术等进行了分析,为室内主应力旋转和不旋转条件下岩石力学试验奠定了理论基础。(3)采用主应力不旋转的常规三轴应力路径,对红砂岩空心圆柱试样进行了常规三轴压缩试验,分别依据Mohr-Coulomb强度准则和Hoek-Brown强度准则,计算了红砂岩在主应力不旋转条件下的力学参数,结合不同围压下红砂岩破裂形态及其破裂角,揭示了红砂岩在主应力不旋转条件下的破裂机制,结果表明:红砂岩黏聚力从起裂点一直增大到损伤点,之后随应力增大逐渐减小,直至在残余点达到最小值,而内摩擦角在起裂点时最小,在应力增大至峰值过程中逐渐增加,峰后逐渐降低,同时,随着围压的增大,岩石破裂角逐渐减小,脆性程度降低。(4)与主应力不旋转条件对比,开展了不同平均应力p下主应力旋转试验,发现在主应力旋转至红砂岩破坏的应力路径下,主应力轴旋转角度对岩石强度的影响与岩石内部损伤程度有关;另一方面,通过固定主应力轴旋转角度、增加广义剪应力至破坏的应力路径试验和常规三轴压缩试验岩石强度的对比分析,发现随着应力水平的增大,主应力旋转下红砂岩强度存在“从高于常规三轴下岩石的强度转为低于常规三轴下岩石强度”的大小关系变化过程,进一步地,建立主应力不旋转和旋转应力路径下岩石强度参数c、Φ和平均应力p之间的函数关系,发现在常规三轴压缩试验中,红砂岩强度参数对静水压力不敏感,而主应力旋转条件下强度参数随静水压力明显变化,主应力旋转对岩石力学特性有非常显著的影响。(5)根据SEM图像,定性分析了不同应力路径下红砂岩破裂面断口形貌及微观破坏特征。对岩石破坏后断口处切片图像的孔隙结构分形特征进行了定量研究,在常规三轴压缩试验下,岩石孔隙结构的分形维数和孔隙率都随着围压的增大而减小。进一步地,对比分析了不同应力路径下岩石孔隙结构分形维数的变化规律,揭示了主应力旋转下红砂岩破坏机理:在较低应力水平下,主应力旋转使得岩石内部裂纹被压密,孔隙结构分形维数比常规三轴下小;在中等应力水平下,主应力旋转导致红砂岩损伤加剧,孔隙结构分形维数随平均应力增加而增大;在高应力水平下,主应力旋转下孔隙结构分形维数随平均应力增加而减小,说明高应力水平下围压作用抑制了红砂岩的损伤演化。
