深部裂隙岩体峰后变形机理与稳定性分析方法研究

发布时间：2020-03-28 05:35

【摘要】：随着水电、公路、铁路等重大项目建设,中国正在或即将修建数万公里的交通隧道工程。这些工程项目越来越多面临大埋深、高地应力、复杂地质条件的难题。工程结构所承受的地应力随着埋深的增大而不断增大,这就导致了深部岩体的力学行为特征发生根本性的变化,引发诸多与浅部完全不同的亟需解决的深部工程技术问题,使得深部岩体工程稳定性控制和支护难度加大。近几年,因工程埋深增大问题造成了多起工程事故,大量的施工人员伤亡,贵重的机械设备损毁,以及工程工期的延误,这就导致了巨大的经济损失。而因为深部工程项目的日益增多,此类灾害发生的可能性逐渐增加,由此造成的损失将更加严重。深部岩体的隧道开挖后,围岩的应力状态超过了其峰值强度,导致围岩与浅层岩体工程相比,出现了不同的变形规律以及破坏形式。单一的连续力学理论难以准确描述裂隙岩体的力学特性;在试验方面,由于受试验条件和技术的限制,针对峰后裂隙岩体变形特性的试验研究成果也比较少。论文采用模型试验、理论分析和数值模拟相结合的分析方法,对裂隙岩体的变形机理和稳定性进行了深入的研究。本文的主要研究内容如下:1)对预制不同倾角贯穿裂隙的类岩石试件进行了单轴、三轴压缩试验,研究了裂隙岩体在不同倾角和围压条件下的应力应变关系、峰值强度、峰后残余强度分布规律和破坏模式等,为理论和数值方法的研究提供试验基础。2)根据相似试验原理,配置类岩石和类裂隙相似材料,开展大尺度的深部裂隙岩体开挖变形破坏规律三维模型试验,研究深部带有一定倾角的裂隙岩体在开挖强卸荷作用下围岩变形破坏演化过程,揭示了隧道开挖诱发的裂隙围岩局部块体失稳到块体群失稳的破坏规律。3)根据裂隙岩体的应力-应变曲线和峰后残余强度,建立了不同围压和裂隙倾角条件下的裂隙岩体损伤本构模型;提出了基于应变能密度理论岩石损伤破坏判别准则,并利用UDEC开发了相应的数值计算程序,为模拟裂隙岩体非连续的破坏过程提供数值条件。4)根据大尺度模型试验裂隙岩体从局部到整体的峰后破坏规律,提出了块体群方法裂隙岩体稳定性分析技术,开发了块体群法裂隙岩体稳定性分析动态可视化计算程序,实现关键块体矢量计算、块体群生成、几何分析和蒙特卡罗模型可靠度分析、动态可视化展示等功能,为裂隙岩体稳定性分析及支护设计提供技术支撑。5)以大相岭隧道为背景,采用本文提出的扩展离散元数值方法,分析了深部裂隙岩体开挖变形破坏全过程,并与模型试验结果进行对比分析,为裂隙岩体工程项目提供技术指导。本文研究内容给裂隙岩体变形破坏过程的研究以及裂隙岩体支护设计的研究提供了新的方法和技术,为裂隙岩体大变形和大体积塌方等灾害控制提供了技术支撑。
【图文】：

逑＊邋＾逡逑图２．邋２贯穿裂隙制作模具逦图２．邋３含贯通节理的岩体受力分布图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．邋３邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｊｏｉｎｔｅｄ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．２邋Ｍｏｕｌｄ邋ｆｏｒ邋ｔｈｒｏｕｇｈ邋ｃｒａｃｋ逡逑ｓｐｅｃｉｍｅｎ逡逑对制作好的正方体试件进行取芯制作成试验标准圆柱试件，尺寸为０邋５０ｍｍ邋Ｘ逡逑１００ｍｍ，裂隙面的倾角为如图２．３。裂隙岩体试件的倾角有０°邋（无裂隙试件）、１５°、逡逑２０。、邋３０。、邋４０。、邋４５°邋、邋５０。、邋６０。。逡逑图２．４试件取芯逦图２．邋５岩体试件逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．４邋Ｃｏｒｉｎｇ逦Ｆｉｇｕｒｅ邋２．邋５邋Ｒｏｃｋ邋ｓｐｅｃｉｍｅｎ逡逑裂隙试件的制作材料为标号４２５的普通硅酸盐水泥、砂子、水和减水剂，按照逡逑１：２．６：０．３８：０．０２的比例配置水泥砂浆，搅拌１００次，然后把混合料倒入图２．２的模具中。逡逑然后放于振动台上振动１５０秒，之后养护２４小时后拆模，再养护２８天完成。逡逑养护好的试件进行取芯，如图２．４所示，得到标准圆柱裂隙试件，裂隙位于试件中部，逡逑如图２．５所示。表２．丨为制作出的无裂隙试件的物理力学参数。根据上述比例配置而制作逡逑１２逡逑

２．３．２试验结果分析逡逑２．３．２．１试件在不同裂隙倾角条件下的强度特性逡逑图２．邋７收集了试件在不同裂隙倾角条件下的应力应变曲线，可以看出裂隙倾角为１５°逡逑的试件其应力－应变曲线与无裂隙试件的十分接近。而当裂隙倾角大于３０°条件下，得到逡逑的应力－应变曲线与无裂隙试件的差异很明显，裂隙倾角为４０°的试件其应力－应变曲线逡逑出现了两个峰值。逡逑１３逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU457

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本文编号：2604001