浸水软岩损伤破坏机理及巷道稳定性控制研究

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在高地应力和地下水耦合的复杂环境中,地下工程巷道围岩的物理力学性质将发生很大的改变,再加之自然成岩成分复杂,对于含大量亲水矿物成分的泥岩等软弱岩体,水对围岩造成的损伤有时比力学因素导致的损伤更为严重。本文从实验、理论和数值模拟方面对富水软岩的破坏机理及软岩巷道的长期稳定性控制问题开展研究:(1)基于连续介质损伤力学将水对岩石的损伤作用定义为对岩石力学参数的弱化效果。通过开展不同含水率下泥质粉砂岩单轴压缩试验引入与湿度相关的损伤变量Dω并加以函数表征,并拟合出了软岩在湿度场中的时效性损伤变量Dt的表达式;(2)基于切线法建立了以内聚力和内摩擦角为变量的等效M-C岩石非线性破坏准则,利用Flac3D内嵌的FISH语言编制程序,实现内聚力和内摩擦角的动态变化;通过相应单轴压缩试验的数值模拟证明了等效M-C准则能够有效的表征岩石非线性破坏特征和剪切、拉伸破坏状态;(3)结合时效性损伤变量Dt与现行的组合元件流变模型,以弱化流变参数的方式建立了能够具有衰减、稳态和加速蠕变三个阶段,瞬弹性、瞬塑性、粘弹性和粘塑性共存,并具有非线性破坏特征的修正Cvisc蠕变损伤本构模型;(4)将上述研究成果应用于小屯煤矿受富水环境影响的16中07运顺软岩巷道围岩稳定性的数值模拟研究中,从应力场、位移场、塑性区分布等方面进行了对比分析,结果表明了考虑水岩损伤作用的修正Cvisc蠕变损伤本构模型能较好的反映开水岩损伤作用对巷道稳定性的影响,同时对比分析了锚杆-锚索与锚网喷不同支护方案在长期控制方面的效果,为该类巷道的支护设计与优化处理提供参考。
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