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高地应力下硬岩本构模型的研究与应用

陈景涛  
【摘要】: 数值模拟已经成为高地应力下大型地下工程设计、优化和围岩稳定性分析的重要研究手段,但“模型给不准”和“参数给不准”这两个瓶颈问题严重影响到数值模拟的精度。针对高地应力条件下硬岩力学行为的特殊性,本文以高地应力区的黄河拉西瓦水电站地下厂房洞室群为研究背景,采用新的研究思路,综合应用试验研究、理论分析、数值模拟和智能岩石力学方法,提出了高地应力下硬岩本构模型研究的新方法。该方法通过真三轴加载、卸载试验模拟了高地应力下大型地下工程开挖引起的复杂应力路径的演化,得到了高地应力下硬岩的强度特征和变形特征,并在试验研究成果的基础上,采用试验研究、理论分析、数值模拟和智能岩石力学相结合的研究方法,建立了能够反映高地应力下硬岩力学行为的三剪强度准则和弹-脆-塑性本构模型,并确定了本构模型的参数。最后将研究成果用于黄河拉西瓦水电站地下厂房洞室群开挖过程的数值模拟,验证了本文建立的弹-脆-塑性本构模型的合理性,为高地应力条件下硬岩地下工程的分析与计算奠定了坚实的基础,为高地应力下硬岩地下工程的设计、优化和围岩稳定性研究提供了科学的依据。本文主要研究成果概括如下: (1)针对高地应力条件下地下工程开挖引起围岩复杂应力路径的演化,通过真三轴加载、卸载试验进行了真实的模拟,同时进行单轴压缩试验和常规三轴压缩试验,并结合声发射监测,系统地研究了高地应力下硬岩的强度特征和变形特征。 (2)针对岩石力学中具有较大影响的莫尔-库伦强度准则,格里菲斯强度准则,德鲁克-普拉格强准则,双剪统一强度理论和霍克-布朗强度准则对于高地应力下的硬质围岩不适用的问题,通过分析已有岩石强度准则的建立方法,结合试验得到的高地应力下硬岩的强度特征,引入智能岩石力学方法,建立了能够反映高地应力下硬岩强度特征的三剪强度准则。 (3)针对传统的弹塑性本构模型在模拟高地应力下硬岩破坏范围和深度方面不理想的问题,在传统弹塑性理论的基础上,结合试验得到的高地应力下硬岩的变形特征,综合数值模拟和智能岩石力学方法,建立了能够反映高地应力下硬岩力学行为的弹-脆-塑性本构模型。 (4)以高地应力区的黄河拉西瓦水电站地下厂房洞室群为工程实例,验证了本文提出的弹-脆-塑性本构模型适用于高地应力下的硬岩地下工程,为高地应力条件下硬岩地下工程的分析与计算奠定了坚实的基础,为高地应力下硬岩地下工程的设计、优化和围岩稳定性研究提供了科学的依据。 (5)提出了试验研究、理论分析、数值模拟和智能岩石力学相结合的研究方法,对于研究复杂岩土介质的力学行为有一定的借鉴意义。


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