浅谈深部岩体分区破裂化演化规律及数值模拟研究

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1、重庆大学博士学位论文深部岩体分区破裂化演化规律及数值模拟研究姓名：郭超申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：张永兴;周小平20090630中文摘要摘要随着经济的不断发展，社会的不断进步，人类的生存和生活空间得到相当大程度的扩展，深部岩体工程也越来越多，随之而来的岩土工程问题也越来越突出，如岩爆、围岩挤压大变形、围岩的分区破裂化等，这些现象的产生条件和形成机理都异于浅部岩体工程，也无法用传统的岩石力学理论来解释。本文的研究主要针对三大热点问题之一的“深部岩体分区破裂化”展开。“深部岩体分区破裂化”是指

2、“在深部岩体中开挖洞室或者巷道时，在其两侧和工作面前的围岩中，会产生交替的破裂区和不破裂区”的现象。本文的研究内容和主要结论如下：(1)针对目前大多数岩体强度准则仅适用于浅部岩体的现状，在断裂力学的基础上推导了适用于深部岩体的强度准则。该准则考虑了深部岩体拉压不同强度特性和中间主应力，同时考虑了深部岩体的剪胀和剪缩破坏，其破坏面可以是闭合的也可以是张开的，而且与RMR岩体地质力学分类指标建立了联系。该准则中的参数均有明确的物理意义，可以很容易通过实验确定或通过RMl堵体地质力学分类确定。(2)在深部岩体

3、强度准则的基础上，建立了完整岩体的平面应变模型，得到了深埋圆形水平巷道围岩破裂区与非破裂区的半径、位置与数量以及分区破裂化现象随时间的演化规律。研究表明：开挖卸荷时间越短(施工速度越快)时深部岩体越易发生分区破裂化现象；在机械开挖条件下，只有当地应力超过岩石的单轴抗压强度时，才会有分区破裂化现象产生。(3)建立了球形洞室在静水压力作用和洞室开挖影响下围岩应力场及位移场的分布模型，理论分析和算例表明：洞室开挖扰动使围岩产生应力集中，并在围岩中产生新的应力场，与原岩应力场叠加后可能使洞室围岩分区破裂化。开挖

4、卸荷时间和岩石的单轴抗压强度对分区破裂化有影响，和深部圆形洞室围岩规律一致。(4)在深部岩体强度准则和断裂力学的基础上，建立了岩体节理服从一定规律分布(裂隙长度服从Rayleigh分布，裂隙间距服从Weibull分布)且考虑裂隙间相互作用的深部裂隙岩体圆形巷道围岩分区破裂化模型。研究表明：当动态应力强度因子满足裂纹扩展准则时，裂隙就会发生扩展并最终导致连接贯通，形成破裂区，非贯通区域则形成非破裂区；破裂区的厚度和数量受地应力的大小、裂隙的分布等因素影响。(5)以锦屏二级水电站四条引水隧洞为工程背景，对埋

5、深1500m的隧洞围岩重庆大学博士学位论文分区破裂化现象进行了有限元数值模拟，并与前期研究结果(埋深2500m)、弹塑性计算结果等进行了横向比较。分析表明：当围岩应力足够大(洞室埋深足够深)、岩体参数满足一定条件时，洞室两边墙以及洞室四角可能发生分区破裂化现象；另外，四心圆隧道比圆形隧道更易产生应力集中，其破裂区数量和范围都要大；研究同时表明：由传统的弹塑性力学计算所得到的引水隧洞围岩应力场连续，无分区破裂化现象产生，换句话说用传统的弹塑性理论无法解释深部岩体的分区破裂化现象。(6)以有限元数值模拟为手

6、段，对影响围岩破裂化现象的各因素包括岩体黏聚力、内摩擦角、地应力、不同介质体、洞室形状等进行了敏感性分析。研究表明：随着岩体的黏聚力或内摩擦角的下降，破裂区的厚度和长度以及数量随之增加，即分区破裂化现象越明显；节理黏聚力越小，破裂区长度越长，破裂区数量越多；地应力(水平或垂直地应力)越大，洞室围岩的破裂范围越大；同等条件下，非连续介质(含结构面)隧洞围岩分区破裂化现象比连续介质(不含结构面)隧洞围岩更明显。关键词：分区破裂化，深部岩体强度准则，开挖卸荷，裂隙岩体，有限元数值模拟珏英文摘要ABSTRACT

7、、Mththedevelopmentofeconomysociety,humansurvivingenvironmentandlivingspacegetaquitegreatexpansion．Deeprockmassengineeringareappearingmoreandmore，butfollowingaseriesofgeotechnicalproblems，suchasrockburst,largedeformationofsurroundingrockmasssqueezedbyhigh

8、groundstress，zonaldisintegrationofsurroundingrockmassandetc．Theconditionsandformationmechanismsofthesephenomenaarequitedifferentfromthoseofshallowrockmassengineeringwhicharealsounabletobeexplainedwiththetraditionalrockmech