水-力耦合弱胶结软岩损伤劣化及工程稳定性分析

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随着西部大开发的不断推进,我国煤炭主产区已由东部逐渐转移至内蒙古、陕西、新疆等广大西部地区。弱胶结软岩在西部矿区广泛存在,受特殊地理气候环境、沉积过程及地质条件作用形成了其独特的工程性状和物理力学性质,在天然状态下,结构较为致密、完整,但遇水后易膨胀溶蚀,力学性质不稳定。岩层开挖后扰动范围大、变形速度快,在水环境作用下,岩石含水率发生变化,极易软化和膨胀,岩质迅速劣化,致使地表沉陷、地面开裂、山体滑坡、巷道大冒顶、高片帮、严重底臌等工程事故或灾害频繁发生,给西部煤炭资源绿色开采及各类工程建设带来巨大的经济损失和安全威胁。因此,揭示水环境及开挖扰动引发的弱胶结软岩工程灾害机理并提出防控措施已成为西部地区能源开发、岩土工程建设以及环境治理中亟待解决的问题。为此本文针对水环境作用下弱胶结软岩开挖扰动灾害特点,综合采用室内实验、理论分析及数值仿真方法,分析了含水率和应力路径影响下弱胶结软岩的变形破坏特征,构建了水-力耦合损伤本构方程,推演了水环境作用下软岩巷道围岩应力和塑性区演化方程,结合数值模拟揭示了巷道围岩变形破坏特征,为弱胶结软岩巷道围岩稳定性控制和煤炭安全开采提供了参考。本文的主要工作和结论总结如下:(1)结合声发射和数字散斑开展了不同含水率弱胶结软岩的单轴压缩和劈裂试验,分析了含水率对弱胶结软岩力学性质的影响,发现含水率升高加剧了软岩内部细观组构破坏程度,导致岩石力学参数发生劣化,岩石破坏模式由脆性向延性转变。(2)针对水环境影响下的煤矿巷道开挖卸荷过程,开展了不同含水率弱胶结软岩在复杂应力路径下的三轴压缩破坏试验,揭示了弱胶结软岩水-力耦合作用下的破裂机制,发现卸荷作用降低了岩石的力学性能,加剧了峰后扩容变形程度,提高了岩样剪切破坏的围压临界值。(3)基于统计损伤理论建立了弱胶结软岩统计损伤本构关系,结合不同含水率弱胶结软岩的力学试验进行模型参数的辨识,构建了弱胶结岩体水-力耦合损伤本构方程。在此基础上,利用RFPA软件进行了不同水岩损伤程度下岩石细宏观强度变形特征的研究。结果表明本文建立的水-力耦合损伤本构方程能较好的反映出水岩损伤作用下岩石破坏过程中应力应变状态,并且RFPA模拟结果可以较好的从细观角度揭示水岩损伤下岩石宏观强度变形特征。(4)基于湿度膨胀应力场和弹塑性理论,推导了水环境作用下弱胶结软岩巷道围岩力学响应解析解,对围岩应力场演化规律展开分析,并结合FLAC3D数值模拟研究了应力释放率、地层含水率和湿度膨胀应力对巷道围岩稳定性的影响。结果表明湿度扩散造成巷道应力场和围岩塑性区范围增大,并且应力释放率和地层含水率的增大加剧了巷道的失稳破坏。
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