【摘要】：巖體的超低摩擦現象是近年來發(fā)現的深部巖體特征,由超低摩擦效應帶來的地質災害往往破壞范圍極大,用傳統(tǒng)解決沖擊地壓的理論和方法并不能有效的解釋超低摩擦效應,因此亟需建立新的實驗方法和理論模型來理解超低摩擦效應。為了在室內再現超低摩擦現象,作者利用深部巖土力學與國家重點實驗室(北京)的“深部巖石非線性力學實驗系統(tǒng)”,以具有孔狀結構的層理狀花崗巖塊體為研究對象,進行了不同實驗條件下的室內超低摩擦實驗和摩擦力減弱效應實驗,著重研究了不同靜荷載水平和不同擾動荷載幅值作用下的超低摩擦現象。實驗中引入了數字散斑相關方法的測試手段對巖石表面的變形和位移進行測量,以掉落塊體在擾動荷載作用下的豎向位移以及經處理的掉落塊體與鄰近層理塊體之間縫隙的變形數據為研究對象進行了分析和規(guī)律行研究。在對超低摩擦機理分析時,引入一維彈性應力波傳播理論以及建立了該實驗的一維塊體超低摩擦實驗動力學模型進行分析。最后利用三維離散元軟件3DEC建立了與物理模型同尺寸的數值模型并進行了數值模擬,對數值模擬結果與實驗結果進行了對比。深部圍巖與淺部圍巖所處截然不同的地質力學環(huán)境,可以用“三高一擾動”來進行描述,即高地應力、高地溫、高滲透壓以及強烈的開采擾動。深部圍巖在這種環(huán)境下也表現出不同于淺部圍巖的特點,比如巖石的延性、高擴容性以及流變特性。深部圍巖的分區(qū)破裂化現象也是不容忽視的科學現象,引起了很多學者的關注。很多學者通過原位測試的方法進行了相關的研究,認為深部的分區(qū)破裂化現象是在特定的應力條件下拉剪循環(huán)出現的結果。深部巖石還具有明顯的構造層次性,每一個構造層次都具有自己的結構面,這個結構面就是巖石的薄弱面,很多地質力學災害都會發(fā)生在這些結構面上。在室內對實驗樣品進行設計達到反應圍巖層次性和破裂性的目的,同時能滿足直接觀察到超低摩擦現象成為實驗成功與否的關鍵。因此本文設計了中間帶孔的層理狀花崗巖樣品,樣品尺寸的大小同時要滿足試驗機的要求,室內再現了超低摩擦現象。通過分析孔洞上方掉落塊體的豎向位移以及縫隙的變化來研究不同實驗條件下對超低摩擦規(guī)律的影響。深部巖石非線性力學實驗系統(tǒng)是何滿潮院士基于多年工程實踐和理論基礎研發(fā)的實驗系統(tǒng),該系統(tǒng)可以實現三向六面加載,可以施加靜荷載以及不同波形的擾動荷載。傳統(tǒng)的應力應變測量方式多為點測量且多為接觸式測量,并不能反映樣品整體的受力及變形情況,具有很多的局限性。根據本次實驗的研究目的,需要一種非接觸的、高精度且可觀測樣品整個平面的測量手段,因此在綜合比較了目前應用較多的各種測試手段之后,選擇數字圖像相關方法作為本次實驗的應變和變形測量工具,該方法具有全場、非接觸、自動化以及高精度的特點,而且測量結果直觀,非常適合于動態(tài)觀測。根據超低摩擦現象的定義,超低摩擦現象發(fā)生的方向一定垂直于擾動荷載的方向,當掉落塊體上摩擦力降低或者消失時,掉落塊體的位移也會有相應的反饋,本文基于此并利用數字圖像相關方法觀測手段,用掉落塊體的豎向位移來表征超低摩擦現象的發(fā)生。在此原理基礎上,本文以中間帶孔的層狀花崗巖試樣為研究對象,設計了擾動荷載作用下的室內超低摩擦實驗,在室內再現了擾動荷載作用下的超低摩擦現象。在對超低摩擦實驗結果分析時,本文重點以掉落塊體的豎向位移以及縫隙寬度的變化規(guī)律為研究對象進行相關的研究。在此基礎上進行了不同擾動荷載幅值下以及不同靜載水平下的超低摩擦實驗,嘗試從中尋找一些規(guī)律,在這兩種實驗中同樣以掉落塊體的豎向位移和縫隙寬度為參數進行研究。在對超低摩擦結果分析過程中發(fā)現,掉落塊體的擾動荷載作用下并非線性下落,對局部數據進行放大處理還可以觀察到掉落曲線具有粘滑曲線的特征,粘滑周期與擾動荷載周期一致。無論是掉落塊體的豎向位移還是掉落塊體相鄰的縫隙寬度,超低摩擦現象還表現出明顯的階段性。不同擾動荷載幅值作用下,超低摩擦現象的階段個數以及各個階段分界點出現的時間不相同,定義了表示超低摩擦現象的相關參數,對不同擾動荷載幅值的超低摩擦現象進行了總結。不同靜荷載水平對超低摩擦現象影響明顯,具體表現在掉落塊體最終的豎向位移不同。本文定義掉落塊體無明顯豎向位移且兩側縫隙寬度無明顯變化的實驗為摩擦力減弱效應實驗,該實驗所施加的靜荷載水平遠遠大于超低摩擦實驗時的靜荷載水平,利用掉落塊體臨滑狀態(tài)時所受的豎向荷載來表示塊體臨界摩擦力,研究臨界摩擦力在不同擾動荷載下的變化規(guī)律。實驗過程中同樣使用數字散斑相關設備對掉落塊體豎向位移及縫隙寬度進行記錄,實驗中直接觀察到了摩擦力減弱效應,對該實驗結果分析表明擾動荷載大小對摩擦力減弱效應實驗結果影響明顯,擾動荷載幅值越大,摩擦力減小的比例也越大。在對超低摩擦現象進行機理分析時,由于擾動在介質中的傳播即為應力波,因此引入一維彈性應力波在層理面及變截面處的傳播規(guī)律,發(fā)現擾動幅值越大,一維應力波穿過非線性節(jié)理時波的投射系數越大,作用在掉落塊體上的力也就越大,從這一角度定性分析了擾動荷載的幅值越大超低摩擦現象越迅速的原因;同時建立了該物理模型的一維非線性塊體模型,將模型離散成剛性塊體和變形塊體,其中變形塊體來表征塊體間層理,用剛性塊體來表征不可變形的花崗巖塊體,建立了剛性塊體的運動方程并通過有限差分的方法求得剛性塊體的位移,與實驗結果進行了對比。利用三維離散元軟件3DEC建立了同尺寸的數值模型進行了數值模擬,并將數值模擬的結果與實驗結果進行了對比,在數值模擬的結果中主要關注掉落塊體豎向位移的階段性以及整體的變化規(guī)律,同時計算了掉落塊體的下滑速度,發(fā)現了其與豎向位移相一致的階段特性。數值模擬的結果表明在數值模擬中,掉落塊體豎向位移變化表現出與實驗中相似的規(guī)律。
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【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TU45

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本文編號：2359753