大型地下洞室脆性圍巖斷裂損傷模型研究及工程應(yīng)用.pdf

1、隨著大型地下工程的不斷興建，并且埋深越來(lái)越大，大型地下洞室圍巖的相關(guān)巖石力學(xué)問(wèn)題研究顯得格外重要，針對(duì)此開(kāi)展了大量的研究工作，主要包括原位試驗(yàn)研究、力學(xué)模型的構(gòu)建和數(shù)值分析程序的開(kāi)發(fā)。在洞室圍巖的相關(guān)巖石力學(xué)問(wèn)題中，由于圍巖自身的宏細(xì)觀力學(xué)特性研究也不是很完善，學(xué)者們一直致力于尋求一個(gè)能夠描述巖石應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)^(guò)程的理論模型，并且能夠很好的解釋巖石破壞過(guò)程中的宏細(xì)觀力學(xué)特征表現(xiàn)，但是由于巖石力學(xué)特性的復(fù)雜性，巖石的力學(xué)模型一直在不斷發(fā)展完

2、善中；還有一個(gè)比較重要的問(wèn)題就是，由于實(shí)際工程中巖體的復(fù)雜性，如何采用合理的數(shù)值模擬方法對(duì)地下洞室?guī)r體的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行很好的模擬也一直是學(xué)者們比較關(guān)注的問(wèn)題。本文選擇地下洞室脆性圍巖的相關(guān)力學(xué)特性作為研究對(duì)象，利用均勻化原理、斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)手段建立了脆性巖石的損傷本構(gòu)模型，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)損傷本構(gòu)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，最后把該模型應(yīng)用到兩家人水電站大型地下洞室中去。論文的主要工作與研究成果歸納如下： (1)本文首先對(duì)大型地下洞室

3、圍巖穩(wěn)定性和脆性巖石的理論研究等進(jìn)行了綜述分析，主要包括四個(gè)方面：(a)大型地下工程巖石力學(xué)問(wèn)題研究；(b)脆性巖石破壞力學(xué)和各向異性力學(xué)特性研究；(c)微裂紋斷裂擴(kuò)展力學(xué)研究；(d)巖石損傷力學(xué)模型研究。在此基礎(chǔ)上，提出本文的研究思路和主要研究?jī)?nèi)容； (2)由于巖石內(nèi)部存在大量的微裂紋，而微裂紋的斷裂擴(kuò)展力學(xué)特性對(duì)巖石的宏細(xì)觀力學(xué)特性表現(xiàn)影響很大，因此需要對(duì)巖石內(nèi)部微裂紋的斷裂擴(kuò)展力學(xué)特性進(jìn)行分析。本文基于最小J<,2>準(zhǔn)則對(duì)

4、張拉裂紋和壓剪裂紋的起裂角進(jìn)行了分析，對(duì)于壓剪微裂紋的起裂角來(lái)說(shuō)，考慮裂紋面的摩擦滑移對(duì)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，并且對(duì)單軸壓縮和三軸壓縮，平面應(yīng)力和平面應(yīng)變問(wèn)題下壓剪微裂紋起裂角進(jìn)行分析。最后，通過(guò)引入巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則建立了微裂紋的斷裂破壞判據(jù)，并且利用該方法對(duì)微裂紋的斷裂擴(kuò)展力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值分析； (3)在認(rèn)為巖石內(nèi)部微裂紋服從一定的統(tǒng)計(jì)分布條件下，對(duì)不同應(yīng)力條件下巖石內(nèi)部的微裂紋進(jìn)行斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)分析，對(duì)于壓剪微裂紋

5、來(lái)說(shuō)，考慮了主裂紋面的摩擦滑移作用，得到了翼形裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算表達(dá)式，并且定義了翼形裂紋的斷裂擴(kuò)展準(zhǔn)則。同時(shí)對(duì)脆性巖石的損傷變量和損傷演化方程進(jìn)行定義，在此基礎(chǔ)上建立脆性巖石的損傷本構(gòu)模型，該模型可以分別對(duì)拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力條件下脆性巖石的應(yīng)力．應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)損傷本構(gòu)模型中的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，得到了各參數(shù)對(duì)模型以及對(duì)巖石宏觀力學(xué)特性的影響，并且說(shuō)明了各參數(shù)的物理意義； (4)利用脆性巖石的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)損傷

6、本構(gòu)模型進(jìn)行了模擬及驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括3部分：(1)單軸拉伸試驗(yàn)；(2)單軸壓縮試驗(yàn)；(3)三軸壓縮試驗(yàn)。通過(guò)不同應(yīng)力條件下脆性巖石的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本構(gòu)模型的模擬及驗(yàn)證，表明本文提出的脆性巖石損傷本構(gòu)模型可以較好的模擬脆性巖石的單軸拉伸、單軸壓縮以及三軸壓縮力學(xué)特性； (5)針對(duì)圓形洞室和橢圓形洞室的開(kāi)挖損傷區(qū)計(jì)算問(wèn)題，利用FEM方法對(duì)本文提出的脆性巖石損傷本構(gòu)模型進(jìn)行了數(shù)值實(shí)現(xiàn)并計(jì)算，同時(shí)采用經(jīng)典彈塑性模型進(jìn)行比較分析，得到了圓形洞室

7、和橢圓形洞室脆性圍巖安全系數(shù)和開(kāi)挖損傷區(qū)的分布情況。計(jì)算結(jié)果表明，利用彈塑性模型去分析大型地下洞室脆性圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題并不是非常理想，這主要由于常用的彈塑性模型一般適用于淺部巖體力學(xué)的計(jì)算分析，對(duì)于深部巖體的計(jì)算分析，無(wú)論是巖體的應(yīng)力．應(yīng)變關(guān)系還是破壞判據(jù)都不能完全用已有的彈塑性模型來(lái)解決。對(duì)于復(fù)雜形狀和大模型的地下洞室脆性圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)計(jì)算問(wèn)題，利用FDM方法的FLAC3D軟件，基于二次開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值實(shí)現(xiàn)，并且應(yīng)用到兩家人水電