收藏本站
《山东大学》 2009年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

高地应力条件下围岩劈裂破坏的力学机理及其能量分析模型研究

刘宁  
【摘要】: 近年来,随着国民经济的持续稳定增长,国家对地下洞室开发利用的需求日益增加,大量工程都在建设或筹划中,地下工程建设呈现出方兴未艾的局面。仅就西部的水电工程来说,近些年内有相当多的大型水力发电工程和蓄能电站进入兴建与筹划期。其中很多都设计有大型或超大型地下洞室群做主要的水工建筑物,且大多选择为深埋式地下厂房。而西部地区具有全球最强烈的现代地壳运动,活动断裂发育,地质环境极为复杂,加上高山峡谷等地形地貌条件,往往赋存有高地应力场。在此条件下围岩的破裂现象在洞群施工期就会明显的出现,一系列大型洞群的高边墙经常发现有劈裂裂缝,并随着地下厂房规模的增大表现得更加突出。此现象已经引起专家的关注,但对其发生机理及其锚固效应尚未进行深入地分析研究。本文采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法,从微观和宏观两个方面系统研究了高地应力条件下围岩劈裂破坏机理及其锚固效应,并将理论分析与工程实践紧密结合,主要完成了以下几个方面的工作: (1)从断裂力学的角度,系统研究了地下工程围岩中的裂纹在各种受力条件下(包括拉剪、压剪两种情况)的起裂、扩展及贯通以致最终形成劈裂裂缝的各个阶段的特征和破坏判据。分析了裂纹之间的贯通机理和极值分布,从理论上揭示了多裂纹之间可能存在的贯通模式与机理。最后以受压岩体中的斜裂纹扩展过程分析为例,模拟了岩体中裂纹逐渐发展成劈裂裂缝的整个过程。 (2)在有限元分析软件ANSYS中实现断裂分析的基本过程。通过参数化设计方法APDL编写裂纹扩展模拟的前处理程序,实现了裂纹断裂计算和分析的自动化,证明ANSYS非常适合于模拟含裂纹或缺陷结构,当参数选择合适时,有限元可以很好的模拟裂纹的扩展过程。并分别模拟了裂纹扩展的不同阶段,通过与理论计算结果相对照,进一步完善劈裂裂缝的形成过程和发生机理。 (3)基于试验结果,分析研究了岩石的单轴压缩和三轴压缩条件下的变形破坏过程,揭示了这一过程的能量耗散及能量释放特征。通过实验室内的相似模型试验,研究了加锚对岩体断裂能的影响。为了能够定量分析围岩能量释放的程度,基于裂纹扩展是以能量释放为主要特征的破坏现象的认识,定量计算了能量释放率,并将其应用到瀑布沟地下厂房的开挖分析中,分别得到了该地下厂房不同位置处弹性能随开挖步变化曲线以及弹性能密度分布等值线图,可以更直观地分析能量与裂纹扩展的关系。 (4)采用滑移裂纹组模型来模拟岩石在轴向压力作用下的劈裂破坏,以考虑裂纹之间的相互作用。基于裂纹扩展过程中的能量平衡原理,分别建立了线弹性条件下和小范围屈服条件下的劈裂判据。并将这两个判据应用到琅琊山抽水蓄能水电站的开挖分析中,分别计算得到了两种情况下劈裂破坏区范围分布图,以定量的概念和直观的图像来把握和判断围岩中不同区域的劈裂破坏程度,为高地应力条件下地下工程开挖过程中出现的劈裂破坏提高更加科学合理的预测判据。 (5)对于处在高地应力下脆性围岩中的地下洞室群,开挖时洞室围岩容易出现纵向的劈裂裂缝,导致脆性开裂,形成劈裂性平行大裂缝组,可将其看作叠层薄板。根据柯克霍夫平板理论检验了薄板模型的适用性,在薄板模型的基础上利用能量方法建立了劈裂围岩的临界应力、位移的解析计算公式。以瀑布沟水电站为工程背景,将劈裂判据编成fish语言计算得到围岩的劈裂破损区。在此基础上利用薄板力学模型计算了其临界应力和最大位移。 (6)锚喷支护对岩体的加固作用在很大程度上是抑制裂纹的扩展。分别采用理论分析和数值方法对锚喷支护抑制裂纹的扩展进行了分析研究。首先在理论方面利用断裂力学理论分别分析了混凝土喷层和锚杆对应力强度因子的影响,并计算得到了锚杆的最佳安装角。然后利用ANSYS数值模拟了锚杆对裂纹的止裂作用,分析了不同因素对应力强度因子的影响。 (7)通过分别计算外力所做功,锚杆吸收的能量,塑性能,弹性应变能,裂纹扩展耗散的能量,根据能量守恒定律建立了锚固条件下围岩劈裂破坏判据,并将该判据应用到猴子岩水电站的开挖分析中,通过分别计算三种洞室间距方案、三种开挖顺序以及考虑锚杆作用下洞室围岩的劈裂破坏范围,并与计算的塑性区范围相对比,分析得出在高地应力条件下不能仅仅以塑性区作为评价开挖顺序和洞室布置方案的唯一指标,有时劈裂区更能反映出地应力分布的特征,可以为开挖方案的优化提供更多的参考意见。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TU452

手机知网App
【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 陈旭光;高地应力条件下深部巷道围岩分区破裂形成机制和锚固特性研究[D];山东大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 汪磊;基于能量原理的岩石边坡稳定性研究[D];武汉工业学院;2010年
2 赵翠玉;基于熵理论的裂缝扩展规律研究[D];东北石油大学;2011年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 周小平,张永兴,哈秋聆;裂隙岩体加载和卸荷条件下应力强度因子[J];地下空间;2003年03期
2 罗淦堂 ,林伟平;多孔隙岩石的破坏机理与特征强度判定[J];长江科学院院报;1987年02期
3 邬爱清 ,任放 ,郭玉;节理岩体开挖面上块体随机分布及锚固方式研究[J];长江科学院院报;1991年04期
4 朱浮声,李锡润,王泳嘉;锚杆支护的数值模拟方法[J];东北工学院学报;1989年01期
5 唐春安,黄明利,张国民,焦明若;岩石介质中多裂纹扩展相互作用及其贯通机制的数值模拟[J];地震;2001年02期
6 杨新辉,栾茂田,杨庆,叶祥记,樊成;简化脆性断裂裂尖模型及复合型断裂判据[J];大连理工大学学报;2005年05期
7 潘别桐 ,唐辉明;岩石压剪性断裂特性及Ⅰ—Ⅱ型复合断裂判据[J];地球科学;1988年04期
8 黄润秋;黄达;;卸荷条件下岩石变形特征及本构模型研究[J];地球科学进展;2008年05期
9 孙广忠;论岩体力学模型[J];地质科学;1984年04期
10 李梅;三维锚杆的数值模拟方法[J];福州大学学报(自然科学版);2003年05期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 陈枫;岩石压剪断裂的理论与实验研究[D];中南大学;2002年
2 郭少华;岩石类材料压缩断裂的实验与理论研究[D];中南大学;2003年
3 尤春安;锚固系统应力传递机理理论及应用研究[D];山东科技大学;2004年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 庄心善,朱瑞赓,赵鑫;极限分析法确定土层锚杆承载力分析[J];四川建筑科学研究;2005年04期
2 唐习龙;林可勃;贾妮;李忠;;结构计算软件中的模块化设计[J];四川建筑科学研究;2005年06期
3 岳大昌;赵国均;;高边坡预应力锚索施工技术[J];四川建筑科学研究;2006年01期
4 罗晓勇;施养杭;;混凝土断裂的研究现状与展望[J];四川建筑科学研究;2008年06期
5 钱坤;尹新生;朱珊;佴磊;;三维地基沉降计算公式的改进与比较[J];四川建筑科学研究;2009年03期
6 张莉;许朝阳;;土钉墙与喷锚的设计方法研究及安全性分析[J];四川建筑科学研究;2009年05期
7 张雪颖;阮怀宁;贾彩虹;;岩石损伤力学理论研究进展[J];四川建筑科学研究;2010年02期
8 唐正光;徐则民;杨春振;赵惠敏;;某边坡的变形破坏及加固对比分析[J];四川建筑科学研究;2010年03期
9 熊学玉;王绍辉;;现浇空心板的正交异性板理论分析方法的研究[J];四川建筑科学研究;2010年05期
10 赵鑫;陈学军;李晓红;朱志政;;不排水条件下基坑卸荷土体变形机理研究(Ⅰ)[J];四川建筑科学研究;2010年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈金辉;康毅力;李大奇;游利军;;致密砂岩储层裂缝面结构模型及应力敏感性研究[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
2 周宏刚;宋彦琦;;断裂力学中两种断裂准则的认识及应用[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
3 沙宁;宋彦琦;王晓;邱桂林;刘江;;大理岩中的预制单裂纹扩展贯通实验研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
4 张晓平;王思敬;韩庚友;张兵;;岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究——以片状岩石为例[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
5 郭胜山;陈厚群;李德玉;马怀发;;混凝土动力塑性损伤分析中的单元尺寸效应探讨[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
6 周晓敏;纪洪广;邓斌;;高水压基岩井壁厚度设计方法[A];2011年中国矿业科技大会论文集[C];2011年
7 陈春春;左宇军;朱德康;;动力扰动下深部巷道围岩分区破裂数值试验[A];2011年中国矿业科技大会论文集[C];2011年
8 袁波;吴国华;周富荣;;边坡工程中压力分散型锚索施工技术[A];“资源保障 环境安全——地质工作使命”华东六省一市地学科技论坛文集[C];2011年
9 郝建斌;门玉明;汪班桥;;粘性土中锚杆应力传递特征及时间效应试验分析[A];第十四届海峡两岸及香港、澳门地区职业安全健康学术研讨会暨中国职业安全健康协会2006年学术年会论文集[C];2006年
10 黎立云;车法星;刘大安;;类岩石材料多裂纹模型破坏分析[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 赵同彬;深部岩石蠕变特性试验及锚固围岩变形机理研究[D];山东科技大学;2009年
2 李伟;深部巷道围岩稳定性安全控制原理与应用研究[D];山东科技大学;2010年
3 郭庆勇;非保守系统Fourier卷积型拟变分原理研究及应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 杨敬源;井壁稳定性若干力学问题的研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
5 王猛;煤矿深部开采巷道围岩变形破坏特征试验研究及其控制技术[D];辽宁工程技术大学;2010年
6 赵扬锋;煤岩变形破裂电荷感应规律的研究[D];辽宁工程技术大学;2010年
7 张选利;柔性注压锚杆锚固特性研究[D];辽宁工程技术大学;2010年
8 郭保华;循环加载下岩石裂隙变形与渗流的试验研究[D];河南理工大学;2010年
9 张华;冲击荷载作用下岩石动态损伤特性研究[D];昆明理工大学;2009年
10 刘海锋;网格结构精细化有限元分析方法研究[D];浙江大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 闫丽梅;高层建筑结构自由振动分析的ODE方法[D];河南理工大学;2010年
2 李朝;箱形桥梁结构的半解析分析[D];河南理工大学;2010年
3 潘建武;含单一天然弱面岩石试样的力学特性研究[D];河南理工大学;2010年
4 李波;义安矿水力冲孔卸压增透消突技术研究[D];河南理工大学;2010年
5 赵文武;淮南矿区典型煤层水力冲孔技术参数研究及消突效果考察[D];河南理工大学;2010年
6 何寿迎;黄岛LPG地下储库稳定性分析及支护设计优化[D];山东科技大学;2010年
7 王睿;井筒受采空区塌落影响的破坏机理及治理研究[D];山东科技大学;2010年
8 吕海波;岩石三维内部裂隙扩展过程的数值模拟研究[D];山东科技大学;2010年
9 李克建;济南燕翅山山体变形机理及治理研究[D];山东科技大学;2010年
10 刘武麟;临近断层回采巷道围岩变形特征及支护技术研究[D];山东科技大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李海燕;刘玉萍;秦佳之;薛翊国;;煤矿深井开采的合理经济深度研究[J];地下空间与工程学报;2008年04期
2 汤雷,蒋金平;锚杆支护强度[J];地下空间;1997年02期
3 张东;张宁;;物理学中的熵理论及其应用研究[J];北京联合大学学报(自然科学版);2007年01期
4 沈泰;地质力学模型试验技术的进展[J];长江科学院院报;2001年05期
5 董玉文;任青文;;基于XFEM的混凝土开裂数值模拟研究[J];重庆交通大学学报(自然科学版);2009年01期
6 周筑宝,卢楚芬,郑学军;最小耗能原理及其验证和应用前景展望[J];长沙铁道学院学报;1997年04期
7 梁正召,唐春安,黄明利,傅宇方;岩石破裂过程中声发射模式的数值模拟[J];东北大学学报;2002年10期
8 徐涛,唐春安,张哲,张永彬;单轴压缩条件下脆性岩石变形破坏的理论、试验与数值模拟[J];东北大学学报;2003年01期
9 唐春安,黄明利,张国民,焦明若;岩石介质中多裂纹扩展相互作用及其贯通机制的数值模拟[J];地震;2001年02期
10 李强;杨庆;栾茂田;;高围压下岩石椭圆裂纹面构型变化规律[J];大连理工大学学报;2009年04期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 方祖烈;;拉压域特征及主次承载区的维护理论[A];世纪之交软岩工程技术现状与展望[C];1999年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 王栋;熵及其在水系统中的研究与应用[D];河海大学;2001年
2 郭少华;岩石类材料压缩断裂的实验与理论研究[D];中南大学;2003年
3 秦理曼;基于能量耗散的土的本构关系研究[D];大连理工大学;2006年
4 李晓静;深埋洞室劈裂破坏形成机理的试验和理论研究[D];山东大学;2007年
5 陈要辉;海拉尔油田凝灰质储层水力压裂力学理论研究[D];大庆石油学院;2008年
6 陈坤福;深部巷道围岩破裂演化过程及其控制机理研究与应用[D];中国矿业大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 张学喜;遗传算法和人工神经网络在边坡稳定性评价中的应用[D];合肥工业大学;2007年
2 吴子科;脆性岩石裂纹尖端扩展状态的混沌动力学分析[D];山东科技大学;2007年
3 李志炜;基于遗传算法的岩质边坡稳定性分析[D];中国地质大学(北京);2008年
4 杨大勇;基于能量原理的岩石损伤研究[D];武汉工业学院;2008年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 周小平,张永兴,哈秋聆;裂隙岩体加载和卸荷条件下应力强度因子[J];地下空间;2003年03期
2 杨林德;邓涛;陈海军;;龙滩水电站地下厂房主支洞交叉处稳定性分析[J];地下空间与工程学报;2005年05期
3 汤雷,蒋金平;锚杆支护强度[J];地下空间;1997年02期
4 吴英华;;锚杆的握裹力分布与极限抗拔力的分析[J];北方交通大学学报;1988年02期
5 黎立云,车法星,卢晋福,刘大安;单压下类岩材料有序多裂纹体的宏观力学性能[J];北京科技大学学报;2001年03期
6 高永涛,吴顺川,孙金海;预应力锚杆锚固段应力分布规律及应用[J];北京科技大学学报;2002年04期
7 郭学彬,肖正学,陈晓玲;石材爆破的断裂控制原理及措施[J];爆破;1997年02期
8 宗琦;岩石内爆炸应力波破裂区半径的计算[J];爆破;1994年02期
9 宗琦,杨吕俊;岩石中爆炸冲击波能量分布规律初探[J];爆破;1999年02期
10 朱瑞赓 ,吴绵拔;不同加载速率条件下花岗岩的破坏判据[J];爆炸与冲击;1984年01期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 李宁;张平;陈蕴生;;裂隙岩体试验研究进展与思考[A];岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C];2002年
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 郭少华;岩石类材料压缩断裂的实验与理论研究[D];中南大学;2003年
2 张平;裂隙介质静动应力条件下的破坏模式与局部化渐进破损模型研究[D];西安理工大学;2004年
3 姜清辉;三维非连续变形分析方法的研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2000年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈宜周,林筱云;功能梯度材料开裂三点弯曲试件的裂纹端应力强度因子[J];力学季刊;2005年01期
2 李艳松;刘金玲;;弹性平板硬币型裂纹断裂分析[J];山西建筑;2006年02期
3 张卫国;田洪;宓为建;刘园;董良才;;应力比r对构件疲劳裂纹扩展的影响分析[J];中国工程机械学报;2008年04期
4 郭群;李江腾;赵延林;;地下洞室围岩劈裂破坏判据及数值模拟研究[J];中南大学学报(自然科学版);2010年04期
5 李成;铁瑛;郑艳萍;;两种材料的性质对双材料界面裂纹能量释放率及应力强度因子的影响[J];机械工程学报;2009年03期
6 孔令超;;G~*积分理论求解应力强度因子及有限元法验证[J];机械强度;2008年01期
7 黄维扬;非线性断裂力学的一个精确解[J];南京航空航天大学学报;1991年01期
8 尹潘;;岩石破坏机理的LCA模型数值模拟[J];辽宁工程技术大学学报;2006年03期
9 程海英;武频;王华林;王红卫;张武;程玉民;;近断层危害场三维断裂力学分析[J];力学季刊;2007年01期
10 沈为,李德怡;复合型断裂的非线性能量分析[J];固体力学学报;1983年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘宁;;某抽水蓄能电站地下厂房围岩劈裂破坏范围预测[A];抽水蓄能电站工程建设文集(2010)[C];2010年
2 冯夏庭;;几个问题思考与请教[A];新观点新学说学术沙龙文集21:深部岩石工程围岩分区破裂化效应[C];2008年
3 周储伟;金春花;;缝合复合材料层间开裂的试验和数值研究[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
4 邓爱民;徐道远;;基于数值模拟的混凝土系列有效断裂判据[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
5 李述清;周志清;;粘弹体裂纹应力强度因子与能量释放率关系研究[A];第十五届全国疲劳与断裂学术会议摘要及论文集[C];2010年
6 徐永君;余俊波;李敏;柳春图;张传绪;;层状复合材料裂纹在软层的扩展趋势[A];第十四届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2008年
7 白静;孟庆春;张行;;复合材料层合板三维分层问题的断裂力学分析[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展(下册)[C];2001年
8 谢伟;黄其青;;受剪切应力作用的表面裂纹应力强度因子研究[A];第十四届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2008年
9 秦太验;张琳楠;朱伯靖;;三维磁电弹材料多裂纹干扰问题[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
10 程庆迎;黄炳香;;圆孔孔壁水压裂缝扩张的断裂力学分析[A];煤炭开采新理论与新技术——中国煤炭学会开采专业委员会2006年学术年会论文集[C];2006年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 通讯员 朱江 冯明农;风能项目组研讨数值模拟产品共享[N];中国气象报;2010年
2 李连明李志和 蒲森;宜万铁路堡镇隧道右线穿过极高地应力地段[N];人民铁道;2008年
3 本报记者 赵亚辉;探寻“大气”的奥秘[N];人民日报;2005年
4 张晓健;二重大型铸锻件数值模拟国家工程实验室获批[N];中国冶金报;2007年
5 向杰 实习生:孙馨;在计算机上模拟大气和海洋运动[N];科技日报;2005年
6 通讯员 刘晓娟 张国正 官国强 蔡晓红;龙溪隧道左线贯通[N];中国铁道建筑报;2008年
7 上海交通大学 潘健生;材料热处理过程的数值模拟[N];科技日报;2002年
8 杨雄飞;炼钢与环境技术的研究方法[N];世界金属导报;2007年
9 龚渝新 蒲森 李国松 何志平;科技攻关创奇迹[N];人民铁道;2008年
10 本报记者 吴楠 通讯员 许家帅;数值模拟预测工程效果指导工程建设[N];中国交通报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘宁;高地应力条件下围岩劈裂破坏的力学机理及其能量分析模型研究[D];山东大学;2009年
2 林荣伟;CFL加固RC梁疲劳裂纹扩展规律及寿命预测[D];华南理工大学;2010年
3 陈志敏;高地应力软岩隧道围岩压力研究和围岩与支护结构相互作用机理分析[D];兰州交通大学;2012年
4 孙喜新;济阳坳陷馆陶组构造特征及成藏模式研究[D];中国科学院研究生院(广州地球化学研究所);2005年
5 严春吉;液体射流分裂雾化机理及内燃机缸内工作过程的模拟[D];大连海事大学;2005年
6 史云清;含水汽凝析气藏开发动态分析方法研究[D];西南石油学院;2005年
7 张勇;调剖优化决策与效果预测技术研究[D];西南石油学院;2005年
8 陈喜阳;水电机组状态检修中若干关键技术研究[D];华中科技大学;2005年
9 何志伟;复合期权与路径相关期权定价理论模型、数值模拟及应用研究[D];华中科技大学;2005年
10 凌继红;手术室空气净化效果的研究[D];天津大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵勇刚;有限弹性体表面裂纹问题的有限元分析[D];哈尔滨工业大学;2007年
2 张玥;V形刻槽爆破动态数值模拟[D];武汉理工大学;2006年
3 于健;压电材料断裂行为的数值模拟[D];西南交通大学;2006年
4 宋友红;公路下磷矿开采的有限元分析[D];中南大学;2005年
5 阎洪涛;发动机连杆裂解工艺参数确定及数值模拟[D];燕山大学;2006年
6 薛明琛;混凝土及其强韧化材料的失效分析[D];山东理工大学;2006年
7 刘伟宁;夹芯结构脱粘处开裂损伤的几何尺寸效应研究[D];天津大学;2008年
8 陈玉;共和隧道围岩大变形机制及防治措施研究[D];重庆大学;2008年
9 詹春晓;界面端开裂扩展的数值模拟[D];合肥工业大学;2007年
10 吴坤铭;功能梯度材料断裂分析的一种计算模型及其应用[D];合肥工业大学;2007年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026