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图书分类

Book classification
  1. 本书分析了深部地下工程的环境特征,简述了地下深部“三高一扰”、多场耦合的地质环境特征,就化学腐蚀下围岩的动静力学性能和动静态组合进行试验验,分析化学腐蚀、应变率、围岩对岩石性能的影响,基于损伤力学理论,建立了深部多场耦合损伤本构型,并与试验结果进行对比分析。结合工程实际,对深部化学腐蚀下岩石巷道变形进行测试,基于DIC技术开展了巷道开挖卸荷的相似模型试验,分析化学腐蚀对围岩的作用机理和深部岩体的分...查看更多
  2. ︱前言︱
    随着社会发展、经济建设、能源开采以及国家安全的新需求,我国的地下空间开发不断走向深部已成必然趋势。深部岩体由于自身结构、变形形式和所处复杂地质环境等特点,其物理力学响应及破坏形式与浅部岩体相比具有显著的不同。高地温、高地应力、高渗流及化学腐蚀的多场耦合环境是影响深部岩体性能和稳定性的重要因素,也是诱发地下工程灾害的根本原因。因此,开展上述复杂环境下深部岩体力学性能研究及其稳定性控制是当前非常迫切的科学任务。
    本书是作者及其课题组近年来在国家自然科学基金资助下所取得的研究成果基础上撰写而成的。书中运用了实验室与现场测试、模型试验相结合,理论分析与数值计算相补充的方法开展了化学腐蚀下深部岩体和力学响应与安全控制技术研究,主要内容包含:
    (1)分析了深部地下岩体力学的性能特点,推导了温度-应力-渗流耦合方程。研究表明:岩体的渗流场水头分布 与温度场的分布 密切相关,温度通过影响岩体的渗透系数而影响渗流场,温度梯度本身也影响水流的运动,而且温度梯度越大,对渗流场的影响也越大;渗流与温度相互影响,渗流速度越大对温度场的影响越大。
    (2)开展了化学腐蚀下岩体的质量测试、抗压强度、抗拉强度、细观力学性能等物理力学性能试验。试验表明化学腐蚀会造成岩体质量损伤,削弱各项力学强度,且随化学腐蚀的pH、腐蚀时间的增长,强度降低越明显。开展了化学腐蚀下岩石的动态力学性能试验,得到了纯动态、一维动静组合和三维动静组合的应力应变曲线,分析了pH、冲击气压、腐蚀时间、轴压和围岩对岩石动态性能的影响关系。
    (3)根据能量守恒和一维应力波理论,进行了一维动静组合作用下围岩力学响应过程中的能量耗散研究,得到了入射能、透射能、反射能和吸收能与平均应变率的关系。结果表明:随着平均应变率的增大,入射能量、反射能量及吸收能量逐渐增大,透射能量变化与应变率关系并不显著。
    (4)基于损伤理论和本书试验方案,分析动态损伤因子的表达形式,建立了化学腐蚀-温度-应力耦合下的动态损伤本构模型,通过理论分析结果与试验曲线的比较,说明了该理论本构方程的科学性。
    (5)基于DIC全过程监测技术开展了深部巷道开挖卸荷的相似模型试验,得到了巷道开挖过程变形、位移云图,监测到了巷道围岩裂纹起裂、扩展过程。试验发现巷道的初期开挖卸荷对巷道断面的变形破坏影响明显,随着开挖深度的增加,巷道变形趋于平缓。
    (6)开展了化学腐蚀下巷道开挖的数值模拟,得到了化学腐蚀下巷道围岩的变形、应力等,并计算了测点的位移。通过以上计算可知,开挖过程中的最大应力出现在巷道的底部及顶部位置,这与理论上的情况相吻合。
    (7)从化学腐蚀对岩石的作用机理、能量转化规律、分区破裂形成的角度研究了深部岩体的破坏机理,介绍了深部化学腐蚀下岩体分区破裂区的半径和宽度。进行了化学腐蚀作下岩体的稳定性分析,给出了稳定性验算的计算公式,提出了适合化学腐蚀下巷道岩体的支护方式。
    全书内容共分为8章,第1章综述了深部地下工程围岩的力学特点,包含了围岩所处的工程环境、变形破坏的特点和深部巷道围岩的基本控制技术,最后提出本书的研究内容;第2章阐述了深部地下工程的多场耦合,推导了温度-应力-渗流的耦合机理方程,并对深部地下工程的施工难点进行了分析;第3章开展了化学腐蚀对岩石质量、抗压强度、抗拉强度、细观力学性能试验,并进行了试验结果分析;第4章开展了化学腐蚀作用下岩石的纯动态力学性能、一维动静组合和三维动静组合力学性能试验,分析了pH、酸化时间、应变率等对岩石动态力学性能的影响,进行了动静组合作用下岩石的能量耗散规律研究;第5章建立了化学腐蚀-温度-应力耦合下的动态损伤本构模型;第6章包含巷道围岩变形的现场测试、化学腐蚀下巷道开挖的模型试验和数值计算;第7章为化学腐蚀下围岩的破坏机理和分区破裂形成;第8章为化学腐蚀下围岩的安全控制,介绍了化学腐蚀下巷道围岩支护设计和支护形式。
    本书的在撰写过程中,参考了许多深部岩体力学相关著作和论文。参考文献的内容给予了本书撰写充分的启迪、支撑,为此作者表示衷心感谢!对辛勤耕耘在深部岩体力学、岩土工程技术领域的专家、学者表示由衷的钦佩和谢意,没有众多学者的辛勤劳动,就没有本书撰写的动机和存在的基础。由于参考文献数量较多,若在本书中标注有遗漏,敬请谅解。本书的顺利出版得到了众多单位和个人的大力支持:丰城矿务局建新煤矿提供了本书巷道变形监测的数据和试件原样;岩石细观力学试验得到了中国科学院武汉岩土力学研究所周辉研究员的大力帮助;岩石的动静组合试验得到了中南大学资源与安全工程学院宫凤强教授的大力支持;理论分析和现场实验得到了安徽理工大学孟祥瑞教授、徐颖教授的悉心指导。研究生陈章林、高栋、杨猛猛、刘旺、董新玉、吴云、吕少勇、李进、邹家宇对于本书中的实验试验操作的具体实施、书稿的整理、图表的处理等做了大量的工作,在此一并表示深切的感谢!
    深部地下空间建设方兴未艾,前景极具魅力。同时深部岩体力学的研究也是一项长期而艰巨的任务。力学理论体系不断深入、岩土工程技术标准日益更新,应用范围不断拓宽,给岩土工程科研工作者带来了无限挑战。由于作者知识水平欠缺,在撰写过程中参阅的资料有限,书中可能存在不妥和不足,欢迎有关专家、学者及所有读者批评指正。



    刘永胜
    2017年9月
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  1. ︱目录︱
    第1章  绪  论 1
    1.1  引  言 1
    1.2  深部岩体力学的基本任务 2
    1.3  化学腐蚀对深部巷道围岩影响研究进展 10
    1.4  本书的主要研究内容 11
    参考文献 12
    第2章  深部地下工程的环境特征 15
    2.1  深部地下工程的多场耦合概述 15
    2.2  深部地下工程的温度-应力-渗流耦合分析 26
    2.3  深部地下工程的施工难点 33
    2.4  本章小结 37
    参考文献 37
    第3章  化学腐蚀下深部围岩的基本物理力学性能 40
    3.1  岩样试样及其物理成分 40
    3.2  酸性溶液对岩样腐蚀的表观特征分析 42
    3.3  酸性腐蚀对岩石的质量损伤分析 43
    3.4  岩石的单轴压缩试验 44
    3.5  岩石的抗拉试验 51
    3.6  岩石的细观力学性能研究 53
    3.7  本章小结 64
    参考文献 65
    第4章  化学腐蚀下围岩的动态力学性能 67
    4.1  SHPB技术的理论基础 67
    4.2  岩石的纯动态力学性能 70
    4.3  动静组合作用下岩石的力学特性 93
    4.4  动静组合加载下岩样的能量耗散规律分析 104
    4.5  本章小结 109
    参考文献 110
    第5章  化学腐蚀下岩石的动态损伤本构模型 112
    5.1  引言 112
    5.2  损伤变量的定义及计算 113
    5.3  动态增长因子的定义 116
    5.4  损伤本构模型的建立 117
    5.5  本构模型的验证及参数的确定 118
    5.6  本章小结 121
    参考文献 121
    第6章  化学腐蚀下巷道开挖变形测试与模型试验 123
    6.1  工程概况 123
    6.2  矿区地质概况 123
    6.3  巷道变形测量 127
    6.4  化学腐蚀下巷道变形的数值模拟 129
    6.5  相似材料模型试验设计 133
    6.6  数字散斑基本原理 140
    6.7  模型试验及结果分析 144
    6.8  本章小结 170
    参考文献 171
    第7章  深部地下工程围岩的破坏机理 174
    7.1  化学腐蚀对深部岩石的作用机制分析 174
    7.2  巷道开挖时围岩的能量演化机理 179
    7.3  深部地下工程围岩的分区破裂 182
    7.4  深部化学腐蚀围岩分区破裂的形成 193
    7.5  本章小结 198
    参考文献 199
    第8章  化学腐蚀下巷道围岩稳定性控制 201
    8.1  引言 201
    8.2  化学腐蚀下巷道围岩稳定性分析 202
    8.3  化学腐蚀下巷道围岩支护设计 207
    8.4  化学腐蚀下围岩支护技术 208
    8.5  本章小结 214
    参考文献 214
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