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，并且埋深越來越大，大型地下洞室圍巖的相關(guān)巖石力學(xué)問題研究顯得格外重要，針對此開展了大量的研究工作，主要包括原位試驗研究、力學(xué)模型的構(gòu)建和數(shù)值分析程序的開發(fā)。在洞室圍巖的相關(guān)巖石力學(xué)問題中，由于圍巖自身的宏細觀力學(xué)特性研究也不是很完善，學(xué)者們一直致力于尋求一個能夠描述巖石應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)^程的理論模型，并且能夠很好的解釋巖石破壞過程中的宏細觀力學(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；還有一個比較重要的問題就是，由于實際工程中巖體的復(fù)雜性，如何采用合理的數(shù)值模擬方法對地下洞室?guī)r體的力學(xué)性質(zhì)進行很好的模擬也一直是學(xué)者們比較關(guān)注的問題。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，并通過室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)對損傷本構(gòu)模型進行了驗證，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行了綜述分析，主要包括四個方面：(a)大型地下工程巖石力學(xué)問題研究；(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內(nèi)容； (2)由于巖石內(nèi)部存在大量的微裂紋，而微裂紋的斷裂擴展力學(xué)特性對巖石的宏細觀力學(xué)特性表現(xiàn)影響很大，因此需要對巖石內(nèi)部微裂紋的斷裂擴展力學(xué)特性進行分析。本文基于最小J<,2>準則對

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

5、來說，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)力強度因子計算表達式，并且定義了翼形裂紋的斷裂擴展準則。同時對脆性巖石的損傷變量和損傷演化方程進行定義，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)系進行模擬。通過對損傷本構(gòu)模型中的參數(shù)進行敏感性分析，得到了各參數(shù)對模型以及對巖石宏觀力學(xué)特性的影響，并且說明了各參數(shù)的物理意義； (4)利用脆性巖石的室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)對損傷

6、本構(gòu)模型進行了模擬及驗證，試驗數(shù)據(jù)包括3部分：(1)單軸拉伸試驗；(2)單軸壓縮試驗；(3)三軸壓縮試驗。通過不同應(yīng)力條件下脆性巖石的室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)對本構(gòu)模型的模擬及驗證，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)針對圓形洞室和橢圓形洞室的開挖損傷區(qū)計算問題，利用FEM方法對本文提出的脆性巖石損傷本構(gòu)模型進行了數(shù)值實現(xiàn)并計算，同時采用經(jīng)典彈塑性模型進行比較分析，得到了圓形洞室

7、和橢圓形洞室脆性圍巖安全系數(shù)和開挖損傷區(qū)的分布情況。計算結(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)的計算分析，對于深部巖體的計算分析，無論是巖體的應(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解決。對于復(fù)雜形狀和大模型的地下洞室脆性圍巖開挖損傷區(qū)計算問題，利用FDM方法的FLAC3D軟件，基于二次開發(fā)技術(shù)對模型進行數(shù)值實現(xiàn)，并且應(yīng)用到兩家人水電