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裂隙岩体开挖损伤区分布特征模拟研究

郭铁成  
【摘要】:近年来,我国多项重大岩体工程开展,如中国锦屏地下实验室工程、白鹤滩水电站工程、核废物处置库工程等。无论是隧道工程、水电工程还是核废物处置工程,在地下硐室的开挖过程中,都会不可避免地遇到一系列的工程技术难题,如塌方、涌水、岩爆等问题。在裂隙岩体中,这些工程问题更为严重和常见。了解裂隙岩体开挖损伤区(Excavation Damaged Zone,EDZ)的评价体系和分布特征是地下硐室开挖的基础。准确把握围岩内损伤区的分布形式及范围对于隧洞的稳定性分析、支护的选择、工程的可靠性评估具有重要的意义。本文基于离散元方法(Discrete Element Method,DEM)数值模拟方法,研究了裂隙岩体中开挖损伤区的分布特征。结合Barton-Bandis裂隙本构模型,提出了裂隙岩体中三种开挖损伤区(失稳区域、剪切区域、张开区域)在离散元模拟中的识别依据。基于概率统计的和可靠度的概念,提出了一种随机裂隙岩体隧道开挖损伤区范围的确定方法,对于裂隙网络全貌不清晰,仅有统计性参数的裂隙岩体中EDZ预测具有实际应用价值。结合柱状裂隙岩体中的统计参数,研究了裂隙表面粗糙度系数(Joint Roughness Coefficient,JRC)分布、裂隙倾角分布和裂隙岩体各向异性对裂隙岩体中EDZ分布的影响。通过水-力、热-力耦合分析,得到了不同耦合条件下开挖损伤区破坏特征。通过与柱状裂隙岩体现场实测的EDZ深度数据对比表明,结合Barton-Bandis裂隙本构模型的DEM是模拟裂隙岩体EDZ特征的一种准确而有效的工具。裂隙岩体中EDZ的分布主要取决于裂隙的几何分布特征,但是张开区域和剪切区域的深度在一定程度上受到JRC分布的平均值和标准差的影响。EDZ的范围随着JRC平均值的增大而减小。随着JRC分布标准差(离散性)增大,高概率EDZ区域深度增加。在水-力耦合模拟中,与干燥裂隙岩体相比,裂隙内的地下水会使EDZ变深。随着裂隙JRC的增加,隧道内的总涌水量由于部分处于临界状态的裂隙的剪胀值增大而增加。随着裂隙JRC的增加,隧道内的总涌水量由于部分处于临界状态的裂隙的剪胀值增大而增加。热-力耦合过程中,围岩升温过程和降温过程均会在一定程度上引起EDZ的扩展,降温过程引起的EDZ扩展更加明显。


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