大型地下洞室脆性围岩断裂损伤模型研究及工程应用

摘要

随着大型地下工程的不断兴建，并且埋深越来越大，大型地下洞室围岩的相关岩石力学问题研究显得格外重要，针对此开展了大量的研究工作，主要包括原位试验研究、力学模型的构建和数值分析程序的开发。在洞室围岩的相关岩石力学问题中，由于围岩自身的宏细观力学特性研究也不是很完善，学者们一直致力于寻求一个能够描述岩石应力一应变全过程的理论模型，并且能够很好的解释岩石破坏过程中的宏细观力学特征表现，但是由于岩石力学特性的复杂性，岩石的力学模型一直在不断发展完善中；还有一个比较重要的问题就是，由于实际工程中岩体的复杂性，如何采用合理的数值模拟方法对地下洞室岩体的力学性质进行很好的模拟也一直是学者们比较关注的问题。本文选择地下洞室脆性围岩的相关力学特性作为研究对象，利用均匀化原理、断裂力学和损伤力学手段建立了脆性岩石的损伤本构模型，并通过室内试验数据对损伤本构模型进行了验证，最后把该模型应用到两家人水电站大型地下洞室中去。论文的主要工作与研究成果归纳如下： (1)本文首先对大型地下洞室围岩稳定性和脆性岩石的理论研究等进行了综述分析，主要包括四个方面：(a)大型地下工程岩石力学问题研究；(b)脆性岩石破坏力学和各向异性力学特性研究；(c)微裂纹断裂扩展力学研究；(d)岩石损伤力学模型研究。在此基础上，提出本文的研究思路和主要研究内容； (2)由于岩石内部存在大量的微裂纹，而微裂纹的断裂扩展力学特性对岩石的宏细观力学特性表现影响很大，因此需要对岩石内部微裂纹的断裂扩展力学特性进行分析。本文基于最小J<,2>准则对张拉裂纹和压剪裂纹的起裂角进行了分析，对于压剪微裂纹的起裂角来说，考虑裂纹面的摩擦滑移对裂纹尖端应力强度因子的影响，并且对单轴压缩和三轴压缩，平面应力和平面应变问题下压剪微裂纹起裂角进行分析。最后，通过引入岩石的强度准则建立了微裂纹的断裂破坏判据，并且利用该方法对微裂纹的断裂扩展力学特性进行了数值分析； (3)在认为岩石内部微裂纹服从一定的统计分布条件下，对不同应力条件下岩石内部的微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析，对于压剪微裂纹来说，考虑了主裂纹面的摩擦滑移作用，得到了翼形裂纹尖端的应力强度因子计算表达式，并且定义了翼形裂纹的断裂扩展准则。同时对脆性岩石的损伤变量和损伤演化方程进行定义，在此基础上建立脆性岩石的损伤本构模型，该模型可以分别对拉伸应力和压缩应力条件下脆性岩石的应力．应变关系进行模拟。通过对损伤本构模型中的参数进行敏感性分析，得到了各参数对模型以及对岩石宏观力学特性的影响，并且说明了各参数的物理意义； (4)利用脆性岩石的室内试验数据对损伤本构模型进行了模拟及验证，试验数据包括3部分：(1)单轴拉伸试验；(2)单轴压缩试验；(3)三轴压缩试验。通过不同应力条件下脆性岩石的室内试验数据对本构模型的模拟及验证，表明本文提出的脆性岩石损伤本构模型可以较好的模拟脆性岩石的单轴拉伸、单轴压缩以及三轴压缩力学特性； (5)针对圆形洞室和椭圆形洞室的开挖损伤区计算问题，利用FEM方法对本文提出的脆性岩石损伤本构模型进行了数值实现并计算，同时采用经典弹塑性模型进行比较分析，得到了圆形洞室和椭圆形洞室脆性围岩安全系数和开挖损伤区的分布情况。计算结果表明，利用弹塑性模型去分析大型地下洞室脆性围岩的稳定性问题并不是非常理想，这主要由于常用的弹塑性模型一般适用于浅部岩体力学的计算分析，对于深部岩体的计算分析，无论是岩体的应力．应变关系还是破坏判据都不能完全用已有的弹塑性模型来解决。对于复杂形状和大模型的地下洞室脆性围岩开挖损伤区计算问题，利用FDM方法的FLAC3D软件，基于二次开发技术对模型进行数值实现，并且应用到两家人水电站大型地下洞室群的计算分析中去，并且与经典弹塑性模型的计算结果进行比较分析。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

第1章绪论

1.1选题背景及研究意义

1.1.1问题的提出

1.1.2 理论意义及工程应用价值

1.2研究综述

1.2.1大型地下工程岩石力学问题研究

1.2.2脆性岩石破坏力学研究

1.2.3微裂纹断裂扩展力学研究

1.2.4岩石损伤力学研究

1.3本文研究思路

1.3.1大型地下洞室脆性围岩破坏模式分析

1.3.2大型地下洞室脆性围岩力学模型的简化

1.3.3技术路线

1.4本文主要研究内容

第2章微裂纹扩展及其对脆性岩石力学特性的影响

2.1脆性岩石受力破坏过程中微裂纹的变化情况

2.2微裂纹扩展对脆性岩石力学特性的影响

2.2.1拉伸应力条件

2.2.2压缩应力条件

2.3微裂纹断裂扩展力学特性

2.3.1概述

2.3.2裂纹尖端应力场

2.3.3微裂纹起裂角理论分析方法

2.4微裂纹起裂角理论分析

2.4.1张拉微裂纹

2.4.2压剪微裂纹

2.5微裂纹断裂扩展准则及其数值分析

2.5.1岩石的强度准则

2.5.2基于岩石强度准则的裂纹断裂扩展判据

2.5.3数值分析结果

2.6本章小结

第3章脆性岩石损伤本构模型的构建

3.1岩石内部微裂纹的统计分布

3.1.1微裂纹分布概率统计分析

3.1.2岩石内部微裂纹的随机模拟

3.1.3微裂纹分布假设

3.2本构控制方程

3.2.1含微裂纹岩石的有效弹性模量估算

3.2.2脆性岩石本构控制方程

3.3翼裂纹尖端应力强度因子及扩展准则

3.3.1翼形微裂纹受力简化分析

3.3.2翼裂纹尖端的应力强度因子

3.3.3翼裂纹断裂扩展准则

3.4损伤变量的定义及演化方程

3.4.1损伤变量的定义

3.4.2损伤演化方程

3.5脆性岩石的损伤本构模型

3.5.1拉伸应力条件

3.5.2压缩应力条件

3.6本构模型参数敏感性分析

3.6.1本构模型计算流程

3.6.2拉伸与压缩应力条件下本构模型的比较分析

3.6.3拉应力条件下本构模型参数敏感性分析

3.6.4压应力条件下本构模型参数敏感性分析

3.7本章小结

第4章室内试验验证

4.1单轴拉伸试验的验证

4.2岩石单轴压缩试验的验证

4.2.1岩石的压缩试验条件

4.2.2单轴压缩试验结果

4.2.3试验结果的损伤模型模拟及验证

4.3岩石三轴压缩试验的验证

4.3.1糯扎渡水电站导流隧洞花岗岩

4.3.2向家坝水电站地下厂房砂岩

4.3.3锦屏水电站地下洞室大理岩

4.4本章小结

第5章本构模型的数值实现及工程应用

5.1数值分析相关程序

5.1.1本构模型的程序实现

5.1.2开挖围岩安全系数的计算

5.2圆形洞室数值分析

5.2.1计算模型和相关参数

5.3.2计算结果

5.3椭圆形洞室数值分析

5.3.1计算模型

5.3.2计算结果

5.4两家人水电站大型地下洞室计算分析

5.4.1工程概况

5.4.2地应力场分析

5.4.3计算模型和参数

5.4.4数值分析结果

5.4.5主要认识

5.5本章小结

第6章结论与展望

6.1全文结论

6.2未来工作的展望

参考文献

个人简介及攻读博士期间发表的学术论文

攻读博士期间主要参加科研项目

致谢