应力释放与孔压作用下圆隧围岩黏弹性变形解析理论

发布时间：2017-10-30 12:09

  本文关键词：应力释放与孔压作用下圆隧围岩黏弹性变形解析理论

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【摘要】：随着矿山开采工程、水利水电工程向深部发展,高地应力与高孔隙水压条件下岩巷长期变形与稳定问题日益突出。一方面,高地应力区原岩储能的逐步释放,即应力释放作用显著。另一方面,高孔隙水压条件下,围岩的孔压劣化效应也尤为突出,对岩巷长期稳定具有极为不利的影响。假设围岩的力学性态服从分数阶Burgers蠕变模型,利用弹性-黏弹性的对应原理获得了在隧洞开挖面空间效应下的深埋岩巷围岩黏弹性蠕变解。进而基于Terzaghi有效应力原理,建立孔隙水压作用下轴对称岩巷的平衡方程,利用平面应变理论计算弹性应力场,并在体积应变率保持不变下获得高孔隙水压劣化Kelvin流变围岩的黏弹性蠕变解。在论述解析解正确性与优越性的基础上,分析讨论了应力释放、孔隙水压、成洞时间及更多相关参数对轴对称岩巷蠕变行为的影响规律。结果表明:(1)采用分数阶Burgers蠕变模型可以充分反映围岩黏弹性的蠕变特性,其中包含了蠕变的衰减特性与蠕变的稳定增长特性;(2)与诸多的蠕变模型,比如鲍埃丁-汤姆逊模型(H/M)、广义Kelvin模型等的计算结果相比,分数阶Burgers蠕变模型可以通过改变阶次来全面反映不同岩性的围岩,其中包括硬岩与软岩的蠕变黏弹性行为。(3)围岩变形受到开挖面空间效应和成洞时间效应的双重影响,在紧邻和远离开挖面的围岩蠕变行为中,占主导作用的分别为开挖面空间效应和成洞时间效应;另外,Hoek方程、Y.L.Lee方程与M.Panet方程均能较好地刻画与开挖面空间效应相关的应力释放响应。(4)洞壁内水压力较小时,孔隙水压对围岩质量的劣化作用偏弱,洞壁位移发展较小。随着孔隙水压增大,蠕变稳定阶段逐渐向不稳定发展,尤其在高孔隙水压作用下围岩劣化变形能力明显增大;另外,围岩蠕变衰减阶段过渡到蠕变亚稳定阶段的时间尺度基本不受洞壁内水压力的影响。(5)当黏滞系数的取值较大的时候,岩体蠕变速率的递减会越快,围岩蠕变也就很快进入蠕变稳定阶段;黏滞系数只对洞壁位移收敛过程产生影响,而对洞壁位移最终收敛量没有影响;在孔压劣化效应下,岩巷围岩蠕变对泊松比敏感性较强。(6)采用不同函数形式,即指数函数与幂函数拟合孔压劣化效应时,其计算结果验证了两种拟合函数的适用性;值得注意的是,由于不同岩性的岩体蠕变参数辨识差异较大,计算得到的位移以及各蠕变阶段所持续的时间尺度在定量上存在较大差别,但却在定性上保持较好的一致性。本研究深化了应力释放与孔压劣化下轴对称岩巷时效变形响应的理论理解,为围岩长期稳定性的判断提供理论支持,希望能带来方法上的进步。
【关键词】：围岩蠕变 应力释放 孔隙水压 时空效应 分数阶微积分 黏弹性
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-14
• 第1章 绪论14-24
• 1.1 研究背景及意义14-16
• 1.2 国内外研究现状16-21
• 1.3 本课题的特色与创新之处21-22
• 1.4 本文的研究内容22-24
• 第2章 基础理论与计算模型24-44
• 2.1 分数阶Burgers蠕变模型24-34
• 2.1.1 分数阶微积分理论基础24-26
• 2.1.2 分数阶Maxwell模型与Kelvin模型26-33
• 2.1.3 分数阶Burgers蠕变模型的构建33-34
• 2.2 H/M蠕变模型与广义Kelvin蠕变模型34-39
• 2.3 开挖面空间效应39-40
• 2.4 孔压劣化效应及其蠕变模型40-42
• 2.4.1 黏弹性模量指数函数劣变40-41
• 2.4.2 黏弹性模量幂函数劣变41-42
• 2.5 小结42-44
• 第3章 应力释放下圆形岩巷黏弹性蠕变变形解析44-76
• 3.1 分数阶Burgers流变岩巷黏弹性变形计算44-49
• 3.1.1 考虑应力释放影响的岩巷围岩力学响应44
• 3.1.2 分数阶Burgers流变岩体岩巷计算模型44-48
• 3.1.3 分数阶Burgers流变岩体岩巷蠕变场计算48-49
• 3.2 分数阶Burgers流变岩体岩巷黏弹性变形分析49-57
• 3.2.1 解析解验证49-54
• 3.2.2 参数敏感性分析54-57
• 3.3 黏弹性流变岩体岩巷变形的深化分析57
• 3.4 开挖面空间效应相关模型的参数敏感性探讨57-74
• 3.5 小结74-76
• 第4章 考虑孔隙水压劣化作用的围岩黏弹性变形解析76-108
• 4.1 考虑孔隙水压劣化作用的围岩黏弹性变形计算76-83
• 4.1.1 孔隙水压劣化围岩计算模型76-78
• 4.1.2 考虑孔隙水压影响的围岩应力重分布78-80
• 4.1.3 考虑孔隙水压劣化作用的围岩蠕变场计算80-83
• 4.2 黏弹性模量指数函数劣变下围岩黏弹性变形响应分析83-91
• 4.3 黏弹性模量幂函数劣变下围岩黏弹性变形响应分析91-96
• 4.4 不同岩性下考虑孔隙水压劣化作用的围岩黏弹性变形深化分析96-106
• 4.4.1 考虑孔隙水压劣化作用的凝灰岩类围岩蠕变特性分析96-103
• 4.4.2 考虑孔隙水压劣化作用的玄武岩类围岩蠕变特性分析103-106
• 4.5 小结106-108
• 第5章 结论与展望108-110
• 参考文献110-116
• 致谢116-118
• 个人简历及在学期间发表的学术论文与依托课题118

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本文编号：1117619