真三軸應力條件下層狀復合巖石力學及滲流特性理論與試驗研究.pdf

1、層狀復合巖石是工程實際中常見的地質材料，由于其是由不同厚度、不同力學特性、不同滲透屬性等組分組成且以按照某種順序結合而成的天然巖體，因此其特性與單一巖石有很大區別。并且以往多采用單軸或者圍壓三軸的加載方式對層狀復合巖石的力學和滲透特性進行研究，忽略了中間主應力的影響，而隧道開挖、深井開采等地下工程中的層狀巖體往往處在三向不等應力（123?????）且各主應力均在不斷變化的復雜應力條件下。因此，研究真三軸應力狀態下（123?＞?＞?）以成

2、層地質材料為對象的層狀復合巖石力學特征與滲流特性，具有很重要的理論意義和實用價值?；诖?，本文采用理論推導和試驗研究相結合的方法，利用重慶大學自主研發的“多功能真三軸流固耦合試驗系統”，開展了等b等?3、等p等b、改變最小主應力、改變加卸載速率、改變氣體壓力等系列單一巖石和層狀復合巖石的力學和滲流試驗，研究了真三軸應力條件下層狀復合巖石的變形、強度特征和滲流特性。利用均質化理論方法，將層狀復合巖石虛擬為一種等效的均質巖石，建立了真三軸應

3、力條件下基于MLC準則的層狀復合巖石各向異性破壞準則和損傷統計本構方程。并基于層狀復合巖石思想和強度理論，以層狀復合煤巖體為研究對象，開展了改變靜應力組合、交變載荷頻率和幅值、應變率及氣體壓力等試驗條件的真三軸試驗，研究了深部開采動靜載荷作用下沖擊地壓、突出復合動力災害的誘導條件和動力顯現特征。本文主要研究成果如下：
　?、僦虚g主應力對巖石整體強度有明顯的強化作用，隨著b值的增加，M-C準則預測的峰值強度值要低于MLC真三軸強度準

4、則的曲線。在b=0到b=0.25時，巖石強度的增加幅度要大于其他區間增加或降低的幅值，巖石強度和變形對中間主應力的敏感性更強。中間主應力保持不變時，隨著最小主應力的增大，在加載初期各應力-應變曲線幾乎是重合的，層狀復合巖石的峰值強度與最小主應力大小幾乎呈線性相關。層狀復合巖石的強度和變形特征有明顯的層面傾角效應和率敏感特征，加載和卸載速率越大，巖石整體破壞時釋放的彈性能也越大。
　?、诘萣等σ3條件下，b在0到0.5區間內，層狀復

5、合巖石的擴容起點對應的軸差應力均逐漸上升，中間主應力的增大延遲了巖石非線性體積應變的出現。當b大于0.5時，擴容起點對應的軸差應力隨著中間主應力的增大反而有下降的趨勢，但整體下降幅度不是很大，擴容起點對應的軸差應力與層狀復合巖石的峰值強度呈明顯的正相關性。等p等 b試驗條件下，擴容起點對應的軸差應力均隨著中間主應力的增大而逐漸降低。
　?、劾镁|化理論，建立了基于 MLC準則的層狀復合巖石真三軸各向異性破壞準則，研究了該準則在八

6、面體平面上的破壞軌跡特征，并開展了系列真三軸試驗對建立的真三軸強度準則進行了驗證。層狀復合巖石發生破壞時，其破壞特征取決于最大主應力方位角、各巖石分層的強度參數和幾何參數等，文中給出了不同最大主應力方位角條件下層狀復合巖石的破壞特征并解出了對應最大主應力方位角的理論解。
　?、芑谛拚腖ade真三軸準則和Weibull概率密度函數建立了固定最小主應力σ3、改變中間主應力σ2和基于中主應力系數b（或Lode參數μσ）的層狀復合巖石

7、各向異性損傷統計本構方程，并引入用損傷變量表示的擴容修正系數，建立的損傷模型與真三軸試驗結果對應性良好，可以較好地描述層狀巖石的變形和強度特征。
　?、莼诘刃нB續介質假設，將水平層狀復合煤巖體視為橫觀各向同性介質，同時考慮到應力和滲流的內在關系，從細觀損傷力學理論出發，建立了可以描述應力應變過程中的滲透率的演化模型和應力-損傷-滲透率演化方程，并進行了真三軸應力條件下原煤、頂底板巖石的滲流試驗驗證。本文建立的利用體應變和體應力表