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《成都理工大学》 2007年
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大型地下洞室开挖围岩卸荷变形机理及其稳定性研究

黄达  
【摘要】: 正在施工的三峡工程右岸地下电站区地质条件复杂,开挖规模大,主厂房长311.3m×宽32.6m×高87.3m,大量地下岩体开挖必将引起围岩应力场的变化,致使围岩应力在开挖方向卸荷松驰,卸荷差异变形明显。而这种大型岩体开挖工程稳定性问题,在过去一般是运用加载岩体力学的方法来研究,但卸荷条件下,岩体的力学特征、本构方程、裂隙扩展方式与加载时是不同的,因此用加载岩体力学的方法来评价围岩的稳定性是不完善的。本文以三峡地下电站主厂房施工开挖为工程背景,以大量岩石(体)卸荷试验和主厂房施工监测成果为基础,以数理统计、弹塑性岩体力学、断裂力学、工程地质分析及数值分析为研究手段,对卸荷条件下岩体的力学特性、本构模型、变形破坏机理及围岩稳定性等方面从理论到工程应用进行了较为系统的研究,取得以下主要研究成果: (1)基于岩石卸荷试验,揭示了岩石卸荷变形、卸荷过程中岩石参数的弱化及峰后应力脆性跌落特征。卸荷引起的强烈扩容是岩石变形破坏的根本原因,具有较强的峰后应力脆性跌落特征,应力脆性跌落系数与初始围压具有较好的相关性。卸荷过程中岩体的变形模量E逐渐减小而泊松比μ逐渐增大,E减小约5%~25%,μ增大约50%~300%,这种变化幅度随初始围压的增大和卸荷程度的增强而变大,其变化与体积应变有较好的相关性。相对常规压缩试验,卸荷岩体的摩擦角φ有所增大而粘聚力c却大大减小:卸载围压且同时升轴压试验的峰值c减小约33.2%,残余c减小约65.3%,峰值φ增大约14.7%,残余φ增大约33.2%;同时卸载围压和轴压试验的峰值c减小约47.8%,残余c减小约77.6%,峰值φ增大约9.4%,残余φ增大约5.9%。 (2)卸荷岩体在屈服点附近符合Griffith屈服准则,而到达峰值后符合Mohr-Coulomb屈服准则,假设卸荷岩体屈服是随体积应变从Griffith屈服至Mohr-Coulomb屈服线性过渡,可构造出卸荷岩体的屈服准则,进而求出其相应的本构方程。将岩体卸荷应力~应变曲线分为弹性、卸荷屈服、峰后脆性及残余理想塑性四个阶段,求出其相应段的本构方程,得出卸荷岩体全过程的本构模型。 (3)基于裂隙岩体相似模型试验,揭示了卸荷条件下裂隙岩体的强度、变形特征、破坏形态及裂隙扩展演化过程。在单裂隙岩体中,岩体的卸荷破坏强度随裂隙与卸荷方向夹角的增大而减小的,而在双裂隙模型中,陡~缓倾角组合岩桥强度最低,陡倾角组合岩桥的强度相对较高;裂隙卸荷扩展具有阶段性和突发性,变形会出现多级突跳现象,当发展到裂隙贯通时,位移会出现大幅度的阶跃,位移突跳的次数与新生裂纹的数量正相关。卸荷扩展裂隙一般带有一定程度的张性特征,其卸荷扩展方式有剪切扩展、张拉扩展、拉剪复合扩展及冀裂纹扩展四种类型,岩桥卸荷破坏可归纳为剪切破坏、张剪复合破坏和张拉破坏,以张剪复合破坏为主。 (4)地下洞室开挖卸荷过程中,裂隙面的应力状态经历了从压剪应力状态逐渐向拉剪应力状态的变化过程,基于断裂力学理论,对压剪及拉剪切应力状态下裂隙扩展时的应力强度因子进行对比分析,说明卸荷条件下裂隙更容易扩展。同时也探究了裂隙扩展过程中分支裂隙尖端的应力强度因子,进而确定裂隙扩展的长度,首次推导了拉剪应力状态下裂隙扩展过程中分支裂隙尖端的应力强度因子。 (5)基于主厂房施工监测,结合工程地质条件分析围岩的开挖卸荷变形机理及其稳定性。对含断层围岩的开挖卸荷稳定性进行较系统的数值模拟,提出了以最大应力集中系数、应力松驰区面积、最大变形量、特征部位变形大小和塑性区面积等量化指标评价断层分布部位、初始地应力场和断层抗剪强度参数对围岩稳定性影响的方法,阐述了含断层围岩开挖卸荷变形机理及其稳定特征。 (6)根据块体理论及工程地质分析,总结了主厂房开挖块体的失稳模式。对不同部位典型块体数值模拟分析表明不同部位的块体二次应力场、变形及塑性区分布特点不同,提出了块体变形失稳演化机理和局部稳定性评价的量化指标,同时将强度折减法应用到主厂房块体整体稳定性评价中并与极限平衡稳定性计算结果进行比较,阐述了地应力场对块体稳定性的影响和极限平衡计算中存在的缺陷。 (7)一般弹塑性数值分析并没有考虑开挖岩体的卸荷效应,利用FLAC软件内置fish语言,编写了考虑卸荷过程中岩体参数弱化的数值计算程序,并对主厂房开挖稳定性进行了模拟计算,计算结果与监测相符,较一般弹塑性计算结果更符合工程开挖实际。
【学位授予单位】:成都理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TV223.3

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【引证文献】
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【参考文献】
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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8 黎造,高正夏,侯曙光;岩体结构面粗糙度系数的小尺度量测及其抗剪强度分析[J];勘察科学技术;2002年03期
9 马文华;王丽星;;山区断层与公路工程的关系[J];交通世界(建养.机械);2008年04期
10 王卫中;郑玉元;吕振钢;;现场直剪试验在顺层岩质边坡勘察中的应用[J];水利科技与经济;2010年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 伍佑伦;王元汉;胡建华;;基于断裂力学的岩体强度探讨[A];第九届全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2006年
2 吉锋;石豫川;冯文凯;;一种新型的结构面起伏形态测量工具——接触打孔器的研制[A];第三届全国岩土与工程学术大会论文集[C];2009年
3 彭校初;冯树荣;;三维块体理论在岩体工程中的应用[A];第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集(上册)[C];2006年
4 高庆华;;序次的辨别与实践意义[A];中国地质科学院562综合大队文集(3)[C];1982年
5 孙强;李曼;杨继红;;西南某地结构面的右行形成机制[A];第十届全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2008年
6 陈功;熊天奇;钱若军;;可展结构中对称性概念的探讨[A];第四届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C];2004年
7 孙广忠;周瑞光;;岩体力学性质的结构效应[A];全国第三次工程地质大会论文选集(上卷)[C];1988年
8 戴培志;李伟;李融融;王平;李仕胜;廖建军;;小湾水电站坝址区岩体结构面抗剪强度试验研究[A];第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集(上册)[C];2006年
9 任茂昆;;关于岩石裂隙连通率的探讨[A];中国岩石力学与工程学会第三次大会论文集[C];1994年
10 俞缙;钱七虎;赵晓豹;李晓昭;;岩体结构面对应力波传播规律影响的研究进展综述[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集(下册)[C];2009年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 新文;有色工业结构面临“大手术”[N];中国机电日报;2001年
2 本报记者 山桦;汽车产业结构面临再调整[N];中国工业报;2004年
3 翟志宏;入世已近三年我国商业结构面临重新调整[N];中国信息报;2004年
4 郭庆婧;德国电信:改变旧结构面向新业务[N];人民邮电;2005年
5 范重;国家体育场钢结构设计优化方案[N];中国建设报;2005年
6 曾广均;紧贴工程实际 更新教学方法[N];中国图书商报;2007年
7 王玲儿 湖北省科协、湖北省作协组稿;三峡情怀 水电人生[N];大众科技报;2008年
8 周红生 钱涛;产品包装数码设计[N];中国包装报;2003年
9 范辉;住宅的开间[N];郴州日报;2005年
10 王韬;推动社区服务业的规范化和产业化[N];中国社会报;2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 黄达;大型地下洞室开挖围岩卸荷变形机理及其稳定性研究[D];成都理工大学;2007年
2 赵宇飞;加锚结构面剪切特性及锚固岩体综合力学模型研究[D];中国水利水电科学研究院;2013年
3 杨明;岩体结构面力学特性及其锚固效应的数值计算研究[D];中南大学;2009年
4 秦启荣;深部岩体结构面预测及其石油井壁工程稳定性应用[D];成都理工大学;2002年
5 卫振海;岩土材料结构性问题研究[D];北京交通大学;2012年
6 柳群义;红层路堑边坡稳定性与防治研究[D];中南大学;2010年
7 盛建龙;岩体结构面力学特征及地下工程结构稳定性的研究[D];武汉理工大学;2002年
8 许光祥;裂隙岩体渗流与卸荷力学相互作用及裂隙排水研究[D];重庆大学;2001年
9 张哲;隧(巷)道开挖扰动区(EDZ)形成过程及机理的研究[D];东北大学;2007年
10 孙少锐;裂隙岩体地下洞室超欠挖预测及评价研究[D];河海大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘娇玲;道路边坡开挖对坡上建筑稳定性影响研究[D];重庆交通大学;2013年
2 黄曼;岩石模型结构面的相似材料研制及力学可靠性研究[D];浙江大学;2012年
3 张颖;辽阳石门硅石矿岩质滑坡结构面特征研究[D];吉林大学;2012年
4 李若尧;确定性与随机性相结合结构面网络模型及围岩块体稳定性分析[D];南京理工大学;2013年
5 刘颖利;规则锯齿状结构面受力变形过程模拟[D];辽宁工程技术大学;2009年
6 王鹏;基于GIS的北山花岗岩结构面空间分布特征研究[D];南京大学;2013年
7 李元霞;板理化岩体结构面抗剪强度及结构面力学效应研究[D];中国地质大学(北京);2010年
8 雷涛;采动卸荷下连续开采诱导放顶动力响应模拟研究[D];中南大学;2010年
9 冯山群;桩基荷载与箱基荷载对邻近隧道开挖塑性区影响的理论预测方法研究[D];北京交通大学;2012年
10 包宏涛;深埋板岩隧洞围岩力学特性研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2007年
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