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深部裂隙岩体峰后变形机理与稳定性分析方法研究

2020-12-02阅读(278)

深部裂隙岩体峰后变形机理与稳定性分析方法研究

论文摘要

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。

论文目录

  • 中文摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •     1.1.1 研究背景
  •     1.1.2 研究意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 深部洞室围岩变形破裂机理研究
  •     1.2.2 裂隙岩体的变形破坏规律研究
  •     1.2.3 深部岩体峰后破裂行为试验研究
  •     1.2.4 岩石变形破裂数值方法研究
  •     1.2.5 裂隙岩体稳定性分析研究
  •   1.3 主要研究内容
  •   1.4 研究思路
  •   1.5 创新点
  • 第二章 裂隙岩体峰后破裂过程压缩试验研究
  •   2.1 引言
  •   2.2 裂隙岩体试件的制作
  •   2.3 裂隙岩体变形破坏单轴压缩试验
  •     2.3.1 试验过程
  •     2.3.2 试验结果分析
  •   2.4 裂隙岩体变形破坏三轴压缩试验
  •     2.4.1 试验过程
  •     2.4.2 试验结果分析
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 深部裂隙岩体开挖变形破坏规律模型试验研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 模型试验原理及方案
  •     3.2.1 试验原型
  •     3.2.2 相似原理
  •     3.2.3 相似材料配置
  •     3.2.4 试验装置
  •     3.2.5 试验系统
  •     3.2.6 试验测量系统
  •     3.2.7 模型填筑
  •     3.2.8 加载系统
  •   3.3 隧道围岩变形破坏规律分析
  •     3.3.1 裂隙倾角15°裂隙岩体开挖变形破坏规律
  •     3.3.2 不同倾角裂隙岩体开挖变形破坏规律
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 基于应变能密度理论的岩石损伤破坏的扩展离散元法研究
  •   4.1 引言
  •   4.2 裂隙岩石损伤破坏本构模型
  •     4.2.1 裂隙岩石损伤破坏本构模型的构建
  •     4.2.2 裂隙岩石损伤破坏本构模型参数分析
  •   4.3 应变能密度理论的描述
  •     4.3.1 基于应变能密度理论的裂隙岩体变形破坏准则
  •     4.3.2 基于应变能密度理论的裂隙岩体损伤破坏数值分析
  •   4.4 基于应变能密度理论的岩石变形破坏的扩展离散元法数值分析
  •     4.4.1 巴西劈裂数值模拟
  •     4.4.2 单轴压缩数值模拟
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 块体群法裂隙岩体稳定性分析研究
  •   5.1 引言
  •   5.2 经典关键块体理论
  •   5.3 块体群法稳定性分析技术
  •     5.3.1 块体群的生成技术
  •     5.3.2 块体群法计算机求解流程
  •   5.4 块体群法裂隙岩体动态可视化计算程序的开发与应用
  •     5.4.1 块体群法的动态可视化计算程序开发
  •     5.4.2 块体群计算程序工程应用
  •   5.5 本章小结
  • 第六章 工程应用
  •   6.1 引言
  •   6.2 工程背景
  •   6.3 计算模型及参数的确定
  •     6.3.1 数值模型
  •     6.3.2 裂隙参数的确定
  •   6.4 裂隙岩体开挖数值模拟
  •     6.4.1 倾角15°的多裂隙岩体模拟
  •     6.4.2 倾角30°的多裂隙岩体模拟
  •     6.4.3 倾角45°的多裂隙岩体模拟
  •   6.5 本章小结
  • 第七章 结论与展望
  •   7.1 结论
  •   7.2 展望
  • 参考文献
  • 在读期间参与的科研项目
  • 在读期间发表的论文
  • 致谢
  • 学位论文评阅及答辩情况表

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 马腾飞

    导师: 李树忱

    关键词: 峰后,裂隙岩体,室内实验,模型实验,应变能密度,块体群

    来源: 山东大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 地质学,建筑科学与工程

    单位: 山东大学

    基金: 国家自然科学基金:深部裂隙岩体峰后碎裂变形特性及其锚固效应试验研究(51179098,51379113)

    分类号: TU457

    总页数: 148

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