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《武汉理工大学》 2011年
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深部大理岩的加卸载力学特性及多场耦合研究

汪斌  
【摘要】:深埋地下工程岩体由于所处的特殊的“三高”复杂力学环境,即高地应力、高地温、高岩溶水压,使得其与浅部岩体相比具有明显不同的工程响应特征。深埋上千米的工程,在开挖、施工与运营的过程中,往往带来很多难以预测的问题,如岩爆、瓦斯突出、突水等一系列灾害性事故频频发生。为了避免突发性地质灾害对人民生命和财产造成危害,同时也为了尽量减少重大灾害的发生,必须对深埋岩体在开挖时引起力学特征进行深入细致的研究,分析研究深部岩石复杂的赋存地质环境,在高围压下的加卸载力学特性以及多场耦合模型。这样使得深部岩体工程面临着严峻的挑战,同时也是许多学者和工程技术人员进行科学研究的热点问题之一 论文在研究“深部”及“深部工程”概念的基础上,收集大量国内深部工程的资料文献,参照Hoek-Brown的方法对深部岩体地应力特征进行了初步的分析,回归分析了深部岩体垂直应力随埋深的分布规律;最大和最小水平主应力随埋深的分布规律以及侧压力系数随埋深的分布规律等。分析了深部岩体结构面及二次应力分布的主要特征,并制定了相应的室内试验计划。 从位于雅砻江上的锦屏二级水电站引水隧洞现场取得了白山组大理岩,岩石被加工成了标准的圆柱形试件(直径50mm,长100mm)。采用MTS815.03型岩石力学试验机系统对大理岩试样进行了一系列的常规三轴加载试验和卸围压试验。首先,进行了常规单轴试验和高围压下的三轴压缩试验,试验结果为后续的三轴卸荷试验的设计提供了指导和依据。其次,进行了不同初始卸荷围压下的三轴峰前、峰后卸荷试验。试验的卸荷方式采取恒定轴压、卸围压的方式。对三轴压缩试验和三轴卸荷试验的全应力应变曲线以及岩样破坏特征的进行了对比分析。 在多场耦合理论方面,从应力和应变的角度研究了岩石渗透性演化规律,考虑岩石损伤对渗流场和应力场的影响,以弹性多孔介质孔隙度与体积应变的关系式为桥梁,建立深部岩石破裂过程的应力场、渗透场、损伤场相耦合的力学模型。根据锦屏二级水电站深埋引水隧洞地质条件以及室内试验相关结果,运用有限元分析方法研究了白山组大理岩地段引水隧洞的开挖及围岩的受力变形特征,计算主要考虑了常规的隧洞开挖支护计算工况以及考虑渗流应力耦合的隧洞开挖支护计算工况,进行了对比分析并得到了相关结论和工程建议。
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