深部巖體分區(qū)破裂化演化規(guī)律及數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，社會的不斷進步，人類的生存和生活空間得到相當大程度的擴展，深部巖體工程也越來越多，隨之而來的巖土工程問題也越來越突出，如巖爆、圍巖擠壓大變形、圍巖的分區(qū)破裂化等，這些現(xiàn)象的產(chǎn)生條件和形成機理都異于淺部巖體工程，也無法用傳統(tǒng)的巖石力學(xué)理論來解釋。本文的研究主要針對三大熱點問題之一的“深部巖體分區(qū)破裂化”展開。“深部巖體分區(qū)破裂化”是指“在深部巖體中開挖洞室或者巷道時，在其兩側(cè)和工作面前的圍巖中，會產(chǎn)生交替的破裂區(qū)和不破

2、裂區(qū)”的現(xiàn)象。
　　 本文的研究內(nèi)容和主要結(jié)論如下：
　　 (1)針對目前大多數(shù)巖體強度準則僅適用于淺部巖體的現(xiàn)狀，在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了適用于深部巖體的強度準則。該準則考慮了深部巖體拉壓不同強度特性和中間主應(yīng)力，同時考慮了深部巖體的剪脹和剪縮破壞，其破壞面可以是閉合的也可以是張開的，而且與RMR巖體地質(zhì)力學(xué)分類指標建立了聯(lián)系。該準則中的參數(shù)均有明確的物理意義，可以很容易通過實驗確定或通過RMR巖體地質(zhì)力學(xué)分類確定。<

3、br>　　 (2)在深部巖體強度準則的基礎(chǔ)上，建立了完整巖體的平面應(yīng)變模型,得到了深埋圓形水平巷道圍巖破裂區(qū)與非破裂區(qū)的半徑、位置與數(shù)量以及分區(qū)破裂化現(xiàn)象隨時間的演化規(guī)律。研究表明：開挖卸荷時間越短(施工速度越快)時深部巖體越易發(fā)生分區(qū)破裂化現(xiàn)象；在機械開挖條件下，只有當?shù)貞?yīng)力超過巖石的單軸抗壓強度時，才會有分區(qū)破裂化現(xiàn)象產(chǎn)生。
　　 (3)建立了球形洞室在靜水壓力作用和洞室開挖影響下圍巖應(yīng)力場及位移場的分布模型，理論分析和算

4、例表明：洞室開挖擾動使圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中，并在圍巖中產(chǎn)生新的應(yīng)力場，與原巖應(yīng)力場疊加后可能使洞室圍巖分區(qū)破裂化。開挖卸荷時間和巖石的單軸抗壓強度對分區(qū)破裂化有影響，和深部圓形洞室圍巖規(guī)律一致。
　　 (4)在深部巖體強度準則和斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，建立了巖體節(jié)理服從一定規(guī)律分布(裂隙長度服從Rayleigh分布，裂隙間距服從Weibull分布)且考慮裂隙間相互作用的深部裂隙巖體圓形巷道圍巖分區(qū)破裂化模型。研究表明：當動態(tài)應(yīng)力強度因子滿

5、足裂紋擴展準則時，裂隙就會發(fā)生擴展并最終導(dǎo)致連接貫通,形成破裂區(qū)，非貫通區(qū)域則形成非破裂區(qū)；破裂區(qū)的厚度和數(shù)量受地應(yīng)力的大小、裂隙的分布等因素影響。
　　 (5)以錦屏二級水電站四條引水隧洞為工程背景,對埋深1500m的隧洞圍巖分區(qū)破裂化現(xiàn)象進行了有限元數(shù)值模擬，并與前期研究結(jié)果(埋深2500m)、彈塑性計算結(jié)果等進行了橫向比較。分析表明：當圍巖應(yīng)力足夠大(洞室埋深足夠深)、巖體參數(shù)滿足一定條件時，洞室兩邊墻以及洞室四角可能發(fā)生

6、分區(qū)破裂化現(xiàn)象；另外，四心圓隧道比圓形隧道更易產(chǎn)生應(yīng)力集中，其破裂區(qū)數(shù)量和范圍都要大；研究同時表明：由傳統(tǒng)的彈塑性力學(xué)計算所得到的引水隧洞圍巖應(yīng)力場連續(xù)，無分區(qū)破裂化現(xiàn)象產(chǎn)生，換句話說用傳統(tǒng)的彈塑性理論無法解釋深部巖體的分區(qū)破裂化現(xiàn)象。
　　 (6)以有限元數(shù)值模擬為手段，對影響圍巖破裂化現(xiàn)象的各因素包括巖體黏聚力、內(nèi)摩擦角、地應(yīng)力、不同介質(zhì)體、洞室形狀等進行了敏感性分析。研究表明：隨著巖體的黏聚力或內(nèi)摩擦角的下降，破裂區(qū)的厚度