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在深埋硬脆性岩体地下工程的建设中,围岩受到高地应力环境下的开挖卸荷作用影响,在裂隙起裂损伤的控制下将产生板裂化形式的局部脆性破坏。现场脆性破坏现象的产生不仅影响着工程施工进度及建设成本,还对现场施工人员和施工机具的安全造成严重威胁。因此针对围岩脆性板裂化破坏形成机制、演化过程及预测方法的研究,对于深埋岩体地下工程的稳定性评价及破坏预测防止有着重要的理论和实际意义。鉴于此,本文通过对两组脆性砂岩试样中进行的裂纹起裂损伤演化试验,分析了其脆性破坏过程,通过裂纹演化模式分析和局部张拉应力推导,提出了修正的脆性岩石裂纹起裂准则及裂纹损伤准则,并基于现场隧洞围岩脆性破坏现象及其破坏机制的研究,建立了板裂化破坏力学模型,结合工程实例对现场板裂化破坏深度及破坏范围进行了预测验证。本论文取得了如下主要研究成果: (1)通过对两组硬质砂岩(重庆青砂岩、湖北红砂岩)试样进行单轴及三轴压缩条件下的裂纹起裂损伤测试,利用声发射和应变方法分析了其内部的裂纹演化特征及脆性破坏过程,并测定各裂纹演化阶段所对应的岩石强度阈值(裂纹闭合强度σcc、裂纹起裂强度σci、裂纹损伤强度σcd)。同时基于对砂岩试样脆性破坏过程中的变形及强度参数的研究,探讨其演化特征规律。结合试验及分析结果发现:岩石的宏观物理力学性质与内部裂纹的积累有着密切联系,受到裂纹积累量的控制,伴随着裂纹的起裂将出现显著的侧向膨胀变形趋势;同时摩擦强度在裂纹起裂并未完全发挥,至裂纹损伤阶段才增至其最大值,而粘聚强度则是随着微裂纹的出现而迅速丧失,这一强度参数演化决定了岩石的脆性程度,由此提出了基于起裂摩擦水平(φ)o/(φ)的岩石脆性指标。 (2)探讨岩石在压缩荷载下的裂纹演化模式,分别考虑低围压条件和高围压条件两种不同情况,提出张开型及滑动型裂纹演化模式,认为局部张拉劈裂破坏和岩桥剪切破坏分别是裂纹起裂及裂纹损伤过程中的主要控制机制。随后通过岩石中微结构面附件局部张拉应力的推导,提出能准确预测不同围压条件σci的修正Griffith起裂准则;通过对裂纹间岩桥剪切破坏的分析,提出了能准确预测不同围压条件σcd的裂纹损伤经验准则。并通过多组涵盖了火成岩、沉积岩及变质岩的不同种类的岩石试验结果,验证了提出的裂纹起裂准则及裂纹损伤准则的准确性和广泛适用性。 (3)基于对深埋洞室洞壁围岩脆性板裂化破坏特征及破坏机制的分析并结合现场破坏的观测结果,将局部脆性破坏过程划分为了板裂萌生、板裂膨胀、板裂失稳及板裂破坏四个阶段。根据其破坏机制并对比实测数据,验证了裂纹起裂强度σci与现场板裂破坏的一致性,并分析了影响板裂化破坏的内在及外在主要影响因素,包括地应力、岩石强度及洞室尺寸等。最后分析了后续板裂化岩爆破坏中的能量转化过程,初步探讨了破坏所需满足的强度应力比及能量存储率条件。 (4)通过调整起裂准则中岩石参数mci为岩体参数mbci,借助岩体评分系统RMR将起裂准则推广至现场工程岩体中,由此建立板裂化破坏预测模型以确定隧洞围岩中的起裂损伤区范围,并进一步预测得到板裂区深度DF及范围θF。此后通过子程序将模型嵌入到有限元软件中,通过计算围岩板裂化破坏危险系数RS,得到准确板裂预测结果,并结合多组工程实例对力学预测模型进行了验证。同时考虑围岩脆性破坏中关键参数的变异性,将地应力及岩体强度参数视作了随机变量,定义了功能函数:板裂化破坏安全系数SF、板裂化破坏深度期望DF及板裂化岩爆安全系数SFb,并基于蒙特卡洛方法对新疆ABH引水隧洞工程中脆性破坏进不确定性率分析。