高地應力條件下圍巖劈裂破壞的力學機理及其能量分析模型研究.pdf

1、近年來，隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定增長，國家對地下洞室開發(fā)利用的需求日益增加，大量工程都在建設或籌劃中，地下工程建設呈現(xiàn)出方興未艾的局面。僅就西部的水電工程來說，近些年內(nèi)有相當多的大型水力發(fā)電工程和蓄能電站進入興建與籌劃期。其中很多都設計有大型或超大型地下洞室群做主要的水工建筑物，且大多選擇為深埋式地下廠房。而西部地區(qū)具有全球最強烈的現(xiàn)代地殼運動，活動斷裂發(fā)育，地質(zhì)環(huán)境極為復雜，加上高山峽谷等地形地貌條件，往往賦存有高地應力場。在此條件下圍

2、巖的破裂現(xiàn)象在洞群施工期就會明顯的出現(xiàn)，一系列大型洞群的高邊墻經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有劈裂裂縫，并隨著地下廠房規(guī)模的增大表現(xiàn)得更加突出。此現(xiàn)象已經(jīng)引起專家的關注，但對其發(fā)生機理及其錨固效應尚未進行深入地分析研究。本文采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗驗證相結合的方法，從微觀和宏觀兩個方面系統(tǒng)研究了高地應力條件下圍巖劈裂破壞機理及其錨固效應，并將理論分析與工程實踐緊密結合，主要完成了以下幾個方面的工作： （1）從斷裂力學的角度，系統(tǒng)研究了地下工程圍巖中

3、的裂紋在各種受力條件下（包括拉剪、壓剪兩種情況）的起裂、擴展及貫通以致最終形成劈裂裂縫的各個階段的特征和破壞判據(jù)。分析了裂紋之間的貫通機理和極值分布，從理論上揭示了多裂紋之間可能存在的貫通模式與機理。最后以受壓巖體中的斜裂紋擴展過程分析為例，模擬了巖體中裂紋逐漸發(fā)展成劈裂裂縫的整個過程。 （2）在有限元分析軟件ANSYS中實現(xiàn)斷裂分析的基本過程。通過參數(shù)化設計方法APDL編寫裂紋擴展模擬的前處理程序，實現(xiàn)了裂紋斷裂計算和分析的自動

4、化，證明ANSYS非常適合于模擬含裂紋或缺陷結構，當參數(shù)選擇合適時，有限元可以很好的模擬裂紋的擴展過程。并分別模擬了裂紋擴展的不同階段，通過與理論計算結果相對照，進一步完善劈裂裂縫的形成過程和發(fā)生機理。 （3）基于試驗結果，分析研究了巖石的單軸壓縮和三軸壓縮條件下的變形破壞過程，揭示了這一過程的能量耗散及能量釋放特征。通過實驗室內(nèi)的相似模型試驗，研究了加錨對巖體斷裂能的影響。為了能夠定量分析圍巖能量釋放的程度，基于裂紋擴展是以能量

5、釋放為主要特征的破壞現(xiàn)象的認識，定量計算了能量釋放率，并將其應用到瀑布溝地下廠房的開挖分析中，分別得到了該地下廠房不同位置處彈性能隨開挖步變化曲線以及彈性能密度分布等值線圖，可以更直觀地分析能量與裂紋擴展的關系。 （4）采用滑移裂紋組模型來模擬巖石在軸向壓力作用下的劈裂破壞，以考慮裂紋之間的相互作用?；诹鸭y擴展過程中的能量平衡原理，分別建立了線彈性條件下和小范圍屈服條件下的劈裂判據(jù)。并將這兩個判據(jù)應用到瑯琊山抽水蓄能水電站的開挖

6、分析中，分別計算得到了兩種情況下劈裂破壞區(qū)范圍分布圖，以定量的概念和直觀的圖像來把握和判斷圍巖中不同區(qū)域的劈裂破壞程度，為高地應力條件下地下工程開挖過程中出現(xiàn)的劈裂破壞提高更加科學合理的預測判據(jù)。 （5）對于處在高地應力下脆性圍巖中的地下洞室群，開挖時洞室圍巖容易出現(xiàn)縱向的劈裂裂縫，導致脆性開裂，形成劈裂性平行大裂縫組，可將其看作疊層薄板。根據(jù)柯克霍夫平板理論檢驗了薄板模型的適用性，在薄板模型的基礎上利用能量方法建立了劈裂圍巖的臨

7、界應力、位移的解析計算公式。以瀑布溝水電站為工程背景，將劈裂判據(jù)編成fish語言計算得到圍巖的劈裂破損區(qū)。在此基礎上利用薄板力學模型計算了其臨界應力和最大位移。 （6）錨噴支護對巖體的加固作用在很大程度上是抑制裂紋的擴展。分別采用理論分析和數(shù)值方法對錨噴支護抑制裂紋的擴展進行了分析研究。首先在理論方面利用斷裂力學理論分別分析了混凝土噴層和錨桿對應力強度因子的影響，并計算得到了錨桿的最佳安裝角。然后利用ANSYS數(shù)值模擬了錨桿對裂紋

8、的止裂作用，分析了不同因素對應力強度因子的影響。 （7）通過分別計算外力所做功，錨桿吸收的能量，塑性能，彈性應變能，裂紋擴展耗散的能量，根據(jù)能量守恒定律建立了錨固條件下圍巖劈裂破壞判據(jù)，并將該判據(jù)應用到猴子巖水電站的開挖分析中，通過分別計算三種洞室間距方案、三種開挖順序以及考慮錨桿作用下洞室圍巖的劈裂破壞范圍，并與計算的塑性區(qū)范圍相對比，分析得出在高地應力條件下不能僅僅以塑性區(qū)作為評價開挖順序和洞室布置方案的唯一指標，有時劈裂區(qū)更