深埋洞室围岩分区破裂化机理及应用

论文摘要

深部岩体处于复杂的工程地质环境中,地应力大,温度高,裂隙发育,因此在深部开挖巷道或洞室时,会在围岩中出现破裂区与非破裂区交替出现的分区破裂化现象。这种现象是深部岩体特有的力学现象,不会出现在浅部岩体中,也无法用传统的岩石力学理论来解释。本文将深埋洞室围岩的破坏模型建立在深部岩体强度准则之上,研究了深部岩体分区破裂化产生的机理。综合考虑了高地应力条件下洞室开挖和裂隙的扩展、贯通对围岩应力场的影响,建立了适用于不同条件下的分区破裂化模型,获得了深埋洞室围岩破裂区和非破裂区的数量、宽度,分析了深部岩体分区破裂化的形成、演化规律以及影响因素。本文研究的主要内容为:①建立了适用于较完整岩体的分区破裂化模型(圆形巷道和球形洞室)。主要考虑洞室开挖过程中围岩应力场的变化对围岩破坏的影响。洞室开挖卸荷采用二次抛物线荷载模拟,产生的应力场与原岩应力场进行叠加,将弹性应力场代入深部岩体强度准则中,获得破裂区的半径和位置;岩体破坏将产生应力波,这种应力波与原岩应力叠加,将产生第二次的岩体破坏,可以获得新的破裂区半径和位置;随着总叠加应力场的逐步减小,岩体将趋于稳定,破裂现象停止。②建立了适用于裂隙岩体的分区破裂化模型。本模型考虑岩体中裂隙的存在对洞室围岩破坏的影响。采用深部岩体强度准则,运用断裂力学相关知识,考虑裂隙间的强相互作用,其扩展和贯通导致岩体的破坏,而非贯通区域成为非破裂区。对于裂隙有一定规律分布的深部岩体,可以确定破裂区和非破裂区的位置、数量及宽度。随着应力均匀调整和裂隙的扩展,破裂区和非破裂区也逐渐变化,其形成和演化是一个动态的过程。但随着时间的推移,其分区破裂也趋于稳定。③建立了复杂条件下的分区破裂化模型。本模型主要运用有限元法进行数值模拟,重点考虑高地应力、非圆形巷道、非静水压力和大量裂隙等复杂情况下岩体的分区破裂化现象。模型中用随机分布的弱单元来模拟岩体中存在的裂隙,并采用锦屏二级电站四条引水隧洞的地质资料参数和岩体力学参数,获得了四条引水隧洞围岩的分区破裂化分布规律,并讨论了不同的岩体力学参数及地应力大小对洞室围岩分区破裂化的影响。本文比较系统地分析了深部岩体中发生分区破裂化的条件,建立了适用于不同条件下的分区破裂化理论及数值模型,能够完整地揭示深部岩体的分区破裂化机理。研究的成果不仅深化了深部岩体的力学性能研究,对深埋洞室的开挖与支护也有一定的理论参考意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究的主要内容及技术路线
• 1.3.1 主要内容
• 1.3.2 技术路线
• 1.4 本文的主要创新点
• 2 深部岩体及分区破裂化现象
• 2.1 深部岩体基本特征
• 2.1.1 深部岩体工程特点
• 2.1.2 深部与浅部岩体性能差别
• 2.2 深部岩体强度准则
• 2.3 深部岩体分区破裂化现象
• 2.3.1 分区破裂化的观测
• 2.3.2 分区破裂化的实验研究
• 2.3.3 分区破裂化的基本规律
• 2.4 本章小结
• 3 深埋圆形巷道围岩分区破裂化机理
• 3.1 引言
• 3.2 开挖卸荷引起的巷道围岩次生应力场和位移场
• 3.2.1 围岩的次生应力场
• 3.2.2 围岩的弹性位移场
• 3.3 初始地应力引起的巷道围岩弹性应力场和位移场
• 3.3.1 围岩的弹性应力场
• 3.3.2 围岩的弹性位移场
• 3.4 分区破裂化的形成
• 3.4.1 分区破裂化的形成机理
• 3.4.2 破裂区和非破裂区的半径
• 3.4.3 破裂区的应力场
• 3.5 算例分析
• 3.6 本章小结
• 4 深埋球形洞室围岩分区破裂化机理
• 4.1 引言
• 4.2 开挖卸荷引起的围岩弹性应力场和弹性位移场
• 4.2.1 开挖卸荷引起的次生应力场
• 4.2.2 开挖卸荷引起的弹性位移场
• 4.2.3 速度场和加速度场
• 4.3 原岩应力引起的围岩弹性应力场和弹性位移场
• 4.3.1 弹性应力场
• 4.3.2 弹性位移场
• 4.4 分区破裂化的形成
• 4.4.1 分区破裂化的形成机理
• 4.4.2 破裂区和非破裂区的半径
• 4.4.3 破裂区应力场
• 4.5 算例分析
• 4.6 本章小结
• 5 深部裂隙岩体分区破裂化机理
• 5.1 引言
• 5.2 理论模型
• 5.2.1 围岩应力场
• 5.2.2 裂纹间的相互作用
• 5.2.3 分区破裂化的形成及演化
• 5.3 算例分析
• 5.3.1 开挖持续时间对分区破裂化的影响
• 5.3.2 垂直地应力与单轴抗压强度比值对分区破裂化的影响
• 5.4 本章小结
• 6 锦屏二级水电站引水隧洞分区破裂化数值模拟
• 6.1 工程及地质概况
• 6.1.1 工程概况
• 6.1.2 工程地质
• 6.1.3 地应力分布规律
• 6.1.4 引水隧洞埋深和形状
• 6.2 计算模型
• 6.2.1 计算断面的选取
• 6.2.2 节理的分布
• 6.2.3 数值模型
• 6.3 围岩分区破裂化分析
• 6.3.1 围岩应力场分析
• 6.3.2 围岩分区破裂化分析
• 6.4 分区破裂化参数敏感性分析
• 6.4.1 节理岩体黏聚力对破裂区的影响
• 6.4.2 节理岩体内摩擦角对破裂区的影响
• 6.4.3 地应力对破裂区的影响
• 6.5 与传统弹塑性方法的对比分析
• 6.5.1 应力场的对比分析
• 6.5.2 破裂区的对比分析
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 后续研究工作及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录