清华大学学报(自然科学版)

作者：王守光, 刘化广, 穆鹏宇, 杨强, 刘耀儒, 刘千惠, 刘驰, 江星宇

单位：1. 清华大学 水圈科学与水利工程全国重点实验室，北京 100084,2. 煤炭科学研究总院有限公司 深部开采与冲击地压防治研究院，北京 100013,3. 中国矿业大学北京 应急管理与安全工程学院，北京 100083

关键词：钻孔卸压,砂岩,单轴压缩,数字图像相关法

基金：清华大学水圈科学与水利水电工程全国重点实验室开放研究基金资助课题(sklhse-2023-D-03),国家自然科学基金资助项目(52204094),国家自然科学基金资助项目(52374206)

水工隧道施工过程中围岩的高应力场容易引发岩爆现象，对工程安全造成威胁，围岩的钻孔卸压是岩爆主动防治措施中一类较为经济的方法。为研究不同钻孔数量和钻孔深度组合下水工隧洞砂岩力学性质和破坏特征，基于单轴压缩试验机和VIC-3D非接触式全场应变测量系统对8种不同钻孔组合的砂岩进行了单轴压缩试验，分析了8种钻孔组合下砂岩抗压强度、弹性应变能积聚及释放特征，拟合了砂岩剩余体积率与砂岩抗压强度之间的回归关系; 通过数字图像相关法(DIC)和断裂相场模拟分析了8种钻孔组合下砂岩裂纹演化与破坏特征，并基于有限元数值模拟对比分析了直孔和10°斜孔对砂岩应力重分布的影响。结果表明：1) 钻孔半径相同时，钻孔越深砂岩抗压强度越低; 2) 钻孔半径和钻孔深度相同时，随着钻孔数量增加，砂岩抗压强度非持续下降，钻孔布置亦可能影响砂岩抗压强度; 3) 砂岩弹性应变能与抗压强度呈高度正相关，损失能与弹性应变能的比值越接近0，砂岩破坏越剧烈; 4) VIC-3D系统测量和数值模拟结果均证实了单轴压缩下砂岩的蝶形破坏趋势，且非对称结构3个钻孔的方案砂岩抗压强度低，远场应力下降多，破坏时间早，经济可行; 5) 在岩性和钻孔深度相同时，直孔和10°斜孔对砂岩最大主应力重分布的影响相近，但施工时要结合现场实际和需求进行钻孔。研究为水工隧洞钻孔卸压方案的优化设计提供了一定参考。

来源：2025年第10期

《清华大学学报(自然科学版)》期刊编辑部

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