地下洞室圍巖劈裂及時(shí)效性機(jī)理研究

前言

第1章緒論

1.1引言

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1裂紋擴(kuò)展

1.2.2深部巖體力學(xué)的特點(diǎn)和巖石的脆性特征

1.2.3能量耗散

1.3研究?jī)?nèi)容

第2章現(xiàn)場(chǎng)巖石試件強(qiáng)度特性分析

2.1引言

2.2巖石單軸和三軸壓縮及單軸情況下卸載試驗(yàn)研究

2.2.1試件的制備

2.2.2試驗(yàn)步驟

2.2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.4強(qiáng)度特征

2.2.5巖樣的破壞特征及損傷機(jī)理分析

2.2.6巖石的擴(kuò)容特性

2.3模擬洞室開挖的加載－卸圍壓試驗(yàn)研究

2.3.1類巖石材料試件的制備

2.3.2三軸加卸載裝置工作原理及加卸載試驗(yàn)過程

2.3.3巖體加卸載破壞時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變特征

2.3.4洞室開挖模擬過程中的聲發(fā)射特征

2.4本章小結(jié)

第3章劈裂裂縫形成機(jī)理的細(xì)觀能量法分析

3.1脆性巖石材料破壞的各階段特征分析

3.2裂紋擴(kuò)展的能量法解析

3.2.1裂紋擴(kuò)展過程中的應(yīng)變能釋放率和能量守恒定律

3.2.2張拉荷載作用下的裂紋擴(kuò)展能量分析

3.2.3壓縮荷載作用下的裂紋擴(kuò)展能量分析

3.3壓縮荷載下劈裂裂縫的細(xì)觀能量模型

3.4脆性巖石黏結(jié)弱化摩擦強(qiáng)化效應(yīng)

3.5高地應(yīng)力下巖體脆性破壞的相關(guān)討論

3.6本章小結(jié)

第4章劈裂裂縫形成機(jī)理的宏觀分析研究

4.1劈裂裂紋的貫通機(jī)理

4.1.1翼形裂紋的擴(kuò)展貫通

4.1.2形成劈裂裂紋的翼形裂紋臨界長(zhǎng)度與臨界間距的確定

4.2劈裂裂縫形成后巖柱失穩(wěn)的薄板壓屈理論研究

4.2.1問題的提出

4.2.2薄板壓屈的臨界荷載

4.2.3薄板壓屈能量耗散分析

4.3本章小結(jié)

第5章洞室劈裂破壞判據(jù)和位移預(yù)測(cè)分析方法研究

5.1國(guó)內(nèi)外對(duì)洞室產(chǎn)生脆性破壞判據(jù)的研究

5.2圍巖產(chǎn)生劈裂破壞的穩(wěn)定性判據(jù)

5.2.1脆性破損區(qū)的估算

5.2.2劈裂破壞的圍巖穩(wěn)定性判據(jù)

5.3位移預(yù)測(cè)分析方法

5.3.1裂紋擴(kuò)展引起的變形分析

5.3.2裂紋密度經(jīng)驗(yàn)公式

5.3.3工程現(xiàn)場(chǎng)位移的預(yù)測(cè)方法

5.3.4位移預(yù)測(cè)方法的驗(yàn)證

5.4本章小結(jié)

第6章劈裂破壞的數(shù)值模擬研究

6.1能量法分析地下洞群穩(wěn)定性

6.1.1基本思路

6.1.2二灘工程實(shí)例分析

6.2圍巖穩(wěn)定性判據(jù)的應(yīng)用

6.3地下洞室劈裂破壞數(shù)值模擬分析

6.3.1數(shù)值計(jì)算方案

6.3.2結(jié)果分析

6.4本章小結(jié)

第7章深部洞室圍巖時(shí)效劈裂破壞現(xiàn)象的模型試驗(yàn)

7.1引言

7.2相似材料的制作

7.2.1相似概述

7.2.2相似材料的研制

7.2.3相似材料配比的確定

7.3模型試驗(yàn)系統(tǒng)的選用

7.3.1模型加載系統(tǒng)

7.3.2數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

7.4圍巖時(shí)效劈裂破壞地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法

7.4.1模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

7.4.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞣椒?

7.4.3測(cè)量元件的布置

7.4.4模型的加載與開挖

7.5模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

7.5.1工況一、二、三條件下模型邊墻破壞現(xiàn)象的對(duì)比研究

7.5.2工況一、四條件下模型邊墻時(shí)效破裂現(xiàn)象的對(duì)比分析

7.5.3模型邊墻位移和應(yīng)變的變化規(guī)律

7.6模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

7.7本章小結(jié)

第8章時(shí)效劈裂力學(xué)模型的構(gòu)建和驗(yàn)證

8.1卸荷過程微裂隙周邊應(yīng)力場(chǎng)的變化

8.2劈裂塑性體

8.3流變?cè)敖M合模型

8.3.1流變?cè)捌渥冃翁匦?

8.3.2經(jīng)典組合流變模型及特性

8.4時(shí)效劈裂模型的建立

8.5時(shí)效劈裂模型的本構(gòu)方程

8.6模型參數(shù)識(shí)別

8.6.1 1stOpt軟件介紹

8.6.2利用1st0pt軟件進(jìn)行模型參數(shù)識(shí)別

8.7本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)2100433B

隨著中國(guó)水利水電工程的開發(fā)，深部巖體力學(xué)問題成為近年來熱門研究領(lǐng)域，大型水電站的硐室群大部分處于深山峽谷區(qū),使得其常處于較高的初始應(yīng)力中,并且受到地形及構(gòu)造活動(dòng)帶的影響,使得其地質(zhì)條件十分復(fù)雜。在復(fù)雜地質(zhì)作用下,巖體出現(xiàn)眾多特殊的工程地質(zhì)現(xiàn)象。其中，地下硐室群在開挖時(shí)，硐室之間的巖柱往往會(huì)出現(xiàn)縱向的劈裂裂縫現(xiàn)象就是其中災(zāi)害之一，這種裂縫對(duì)于洞室的穩(wěn)定性造成威脅。本著作采用室內(nèi)試驗(yàn)、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬等綜合分析方法揭示劈裂破壞產(chǎn)生的機(jī)制及形成條件，研究劈裂張開性變形的產(chǎn)生機(jī)理。結(jié)合已取得的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，考慮裂隙分布、地應(yīng)力大小和方向、圍巖類別、加卸載速率等多影響因素，并引入能量積聚-耗散的觀念，深入研究劈裂破壞發(fā)生、發(fā)展及最終破壞模式和特征，揭示其產(chǎn)生的條件和力學(xué)、變形及能量耗散機(jī)制。通過斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)和能量耗散理論研究建立反映劈裂張開性變形的非線性等效本構(gòu)關(guān)系模型和產(chǎn)生劈裂破壞的條件和準(zhǔn)則，并將其嵌入數(shù)值軟件進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)在實(shí)際工程的穩(wěn)定性研究中。本研究將對(duì)水電工程地質(zhì)學(xué)及巖體工程穩(wěn)定學(xué)領(lǐng)域有重要的理論意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

本書相關(guān)研究成果適用于為開展深部巖體力學(xué)相關(guān)研究的科研工作者提供參考。

本項(xiàng)目從多層次綜合仿真和廣角度分析觀點(diǎn)，以確定性和不確定性兩類分析模型對(duì)深埋洞室群圍巖的變形機(jī)理與穩(wěn)定性評(píng)判準(zhǔn)則進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：大理巖的試驗(yàn)研究、巖體地應(yīng)力的確定、巖石破壞機(jī)理的細(xì)觀模型、深埋隧洞滲流和應(yīng)力耦合分析方法、基于區(qū)間的反演模型和求解方法、地下洞室圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、具體工程的應(yīng)用等問題。研究取得了25項(xiàng)成果，其中6項(xiàng)代表性成果為：（1）建立了基于區(qū)間分析思想的反演模型和求解方法，考慮量測(cè)信息的不確定性，針對(duì)復(fù)雜的非線性問題，提出了區(qū)間有限元的迭代優(yōu)化反分析模型；（2）從巖體內(nèi)部細(xì)觀組成出發(fā)，以結(jié)構(gòu)控制論為指導(dǎo)，研究其受壓的破壞機(jī)理，建立了基于大理巖受壓破壞的數(shù)字圖像界面元法模擬；（3）基于某工程現(xiàn)場(chǎng)天然花崗巖材料進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)，結(jié)合高速圖像采集系統(tǒng)，采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究了花崗巖材料在動(dòng)力作用下的拉應(yīng)變場(chǎng)與破壞形態(tài)的關(guān)系，進(jìn)行巖石動(dòng)力破壞的高速數(shù)字圖像相關(guān)研究；（4）引入等效入滲強(qiáng)度來模擬降雨入滲過程，采用等效連續(xù)各向同性介質(zhì)模型，運(yùn)用三維有限元的基本方法和地下水動(dòng)力學(xué)的基本理論對(duì)引水隧洞施工全過程工程區(qū)涌水量和降落漏斗的影響范圍開展了分析研究；（5）針對(duì)富水區(qū)深埋地下水利工程中的主要水問題及對(duì)策進(jìn)行研究，提出了“以堵為主、堵排結(jié)合、因地制宜、綜合治理”的治水原則；（6）基于接觸粘結(jié)模型的二維顆粒流程序（PFC2D），對(duì)砂巖及花崗巖雙向加載下砂巖及花崗巖聲發(fā)射及變形率變化法進(jìn)行了數(shù)值研究。本項(xiàng)目研究不僅解決了地下洞室群圍巖穩(wěn)定性的一些基本科學(xué)問題，還直接為我國(guó)地下工程的建設(shè)提供了一些科學(xué)依據(jù)。 2100433B

地下洞室圍巖穩(wěn)定 - 簡(jiǎn)介地下洞室周圍巖體，由于洞室開挖而發(fā)生變形或塌落等破壞的可能性和巖體自身抵抗這種破壞，維持穩(wěn)定的能力。地下洞室的開挖,破壞了原始應(yīng)力平衡條件,引起周圍巖體應(yīng)力的重分布，并在洞室周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。此時(shí)，如洞壁各點(diǎn)的應(yīng)力場(chǎng)未超過能導(dǎo)致巖體破壞的臨界值，則圍巖是穩(wěn)定的，否則將出現(xiàn)松弛變形甚至塌落破壞等現(xiàn)象，并從洞壁開始，逐漸沿半徑方向向巖體內(nèi)部發(fā)展。為了防止圍巖的松弛變形和破壞，需要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。作用在支護(hù)上的壓力稱山巖壓力或圍巖壓力。