透明巖體相似材料研制與實驗應(yīng)用研究.pdf

1、眾所周知,深部巷道圍巖常處于極其復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下,巷道圍巖的的變形破裂時空演化規(guī)律直接影響到支護(hù)與工程穩(wěn)定,而當(dāng)今的實驗研究中,因巷道圍巖內(nèi)部的變形破裂模式無法直視,以至圍巖的變形破裂、內(nèi)部裂隙的時空演化等基本問題并不完全清楚。因此,探索研究一種透明巖體材料用來解決巷道圍巖中內(nèi)部變形破裂不可視的問題勢在必行,對于深入揭示深部巷道圍巖破裂的時空演化機(jī)理和建立更加合理的本構(gòu)模型及強(qiáng)度準(zhǔn)則具有重要的理論意義,同時,對解決深部工程中諸如破裂圍巖

2、的加固時機(jī)與加固范圍等穩(wěn)定控制及因圍巖破裂導(dǎo)致的工程災(zāi)害的時空預(yù)測問題亦有著十分重要的實用價值。
　　本文依托國家自然科學(xué)基金項目“深部巖體破裂時空演化機(jī)理的透明巖體實驗研究”(No.51174197)和國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃973項目“深部復(fù)合地層圍巖與 TBM的相互作用機(jī)理及安全控制”(No.2014CB046905),在總結(jié)前人研究透明巖土體相似材料制作方法經(jīng)驗基礎(chǔ)上,以軟巖為相似原型材料,通過對透明巖體相似材料的選取、配

3、比實驗等,配制出了透明軟巖相似材料。然后,對制備試樣分別進(jìn)行單軸實驗(圓柱體、立方體)、直剪實驗、三軸實驗以及小型巷道模型實驗,來測試透明巖體的基本力學(xué)性質(zhì),借助導(dǎo)師自行研制的數(shù)字照相量測技術(shù),初步研究分析了透明巖體試樣內(nèi)部變形破裂的時空演化規(guī)律。得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)總結(jié)前人經(jīng)驗和自己實驗探索發(fā)現(xiàn):在所選的實驗方案中,只有骨料為粒徑200-300目的硅膠粉與膠結(jié)料為礦物油(液體石蠟與正十三烷質(zhì)量比為1:0.835)時,

4、制作試樣的透明度最好。
　　(2)通過實驗研究分析,發(fā)現(xiàn)透明巖體相似材料的兩大關(guān)鍵點(diǎn)—透明度與強(qiáng)度相似性的重要影響因素,其中,透明度取決于四個方面:①硅膠粉與礦物油的折射率的匹配程度;②抽真空時混合硅膠溶液中氣體含量;③硅粉和礦物油的純度和透明度;④加卸載速率。而強(qiáng)度除實驗中人為因素外,主要與固結(jié)應(yīng)力和固結(jié)強(qiáng)度有關(guān),具體關(guān)系為:相同固結(jié)時間時隨著固結(jié)應(yīng)力的增大,透明巖體相似材料的強(qiáng)度增大;在相同固結(jié)應(yīng)力下,固結(jié)時間越長,透明巖體相

5、似材料的強(qiáng)度越大,但固結(jié)時間超過10天時,透明巖體相似材料的力學(xué)性質(zhì)基本上不再變化。
　　(3)采用圓柱體試樣,分別進(jìn)行了單軸壓縮、直剪實驗和三軸實驗,透明巖體相似材料的基本的力學(xué)實驗,結(jié)果表明,本文研制的透明巖體相似材料的強(qiáng)度、彈性模量、密度、內(nèi)摩擦角、粘聚力最大值分別為0.36MPa、23.7MPa、1.11g/cm3、7.56°、22.03kpa。
　　(4)采用研制的透明巖體相似材料,進(jìn)行了小型試件的單軸壓縮數(shù)字照相

6、變形觀測實驗應(yīng)用研究,分析了透明立方體(100mm×100mm×100mm)巖體試樣單軸壓縮下的變形破裂規(guī)律,以及在巷道(100mm×100mm×100mm)開挖、穩(wěn)壓、加壓、卸壓過程中巷道圍巖的變形破裂時空演化規(guī)律,結(jié)果表明:透明巖體立方體試樣單軸壓縮下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線峰后表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化階段,試樣中心、頂端、兩側(cè)、底端的變形區(qū)別較大。巷道的開挖、穩(wěn)壓、加壓、卸壓過程對圍巖的應(yīng)力和變形破裂影響較大。
　　(5)基于物理實驗測