围岩多场耦合分析及工程应用研究

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1、围岩多场耦合分析及工程应用研究CouplinganalysisaIldengineeringapplicationofsu玎0undingrock毛志童朱彦鹏(兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050)摘要：根据深部围岩的三高特性：高应力、高温度和高渗流，建立了温度一渗流一应力三场耦合的控制方程，采用有限元法进行了求解。考虑了围岩的蠕变及破坏之后的应力迁移，并推导了有限元增量表达式。考虑温度和渗流的影响，给出了围岩不稳定体加固设计方法。将提出的计算方法应用于工程实例进行了分析，结果表明本文提出的方法是可行的。关键词：围岩；多场耦合；加固设计；

2、有限元法Abstract：Accordingtothedeepsurroundingrockofthethreehighcharacteristics：highseepage，highstressandhightemperature，thecontr01equadonofises住bhshedforthreecoupled丘eldofseepage，tempentureandstreSs，the丘niteelementmedlodisusedforsolving．Consideringthecreepofsurroundingrocka11dt11

3、es廿essofmigrationa丘erf猫ure，t11e丘11iteelementi11crementalexpressionsarederiVed．Consideringtheinnuenceofternpentureandseepage，t11ei11stabilityofsurroundingrockbodyre血forcementdesignmethodispresented．TheproposedcalcuhdonmedlodisappliedtotIleengiIleeringeXampleaIlda11alyzed．Theres

4、ultSshowthattheproposedmetllodisfeasible．Keywords：surroundingmck；severalcoupling；reillf’orcementdesign；丘Iliteelementmethod中图分类号：Tu740文献标识码：B文章编号：1003—8965(2014)05一011卜041引言随着开采深度的不断增大，地压和地温的显现越来越突出，而且将会是长期困扰我国矿山生产的技术难题，深部岩港开挖支护面临地压和地温治理两大技术难题和三大技术挑战：高地压、高地温和高渗透。进入深部开拓阶段后，地质条件恶

5、化，三高明显，给港道围岩稳定与施工安全控制提出了一系列严峻挑战：①进入深部以后，由于围岩的高地应力与其本身低强度之间的突出矛盾，高应力场导致围岩开挖之后破裂碎胀和塑性发展，很容易出现大变形而失稳；②随着深度的增加，地下水渗透压力相应增大，港道开挖之后近表面围岩内孔压力大幅降低，从而使得有效应力增大，导致围岩应力进一步超过岩体强度，使得围岩破坏失稳；③随着开拓深度的增加，地温升高，港道开挖之后，港道表面一定深度围岩内产生较大的温度梯度和附加应力，使围岩产生离层，对围岩破裂扩展带来不可忽视的影响”。1。综上所述，深部围岩明显与浅部港道围岩不同，浅部围岩

6、稳定理论已经不能适应围岩稳定控制的要求，以往的研究不能定量评价港道围岩的稳定性，本文根据围岩的破坏过程，采用应力迁移来实现深部围岩逐渐破坏过程，推导了港道围岩三高耦合作用下的控制方程，并用有限元法进行了求解，最后将提出的方法应用于工程实例，结果表明建立的多场耦合模型是提出的设计方法一种有效的方法。2温度场、渗流场和应力场耦合控制方程及其有限元解’2．1控制方程根据热传导和渗流理论推导出温度场、渗流场和应力场耦合的微分方程14巧1：毒[％篝七dr+啪+∥疋，毛]+奶=。巴鲁+V鸬印(嗍gD)]=Q成e鲁+V(唧rM咿2Qf(1)式中，‰为岩体骨架位移

7、，％为弹塑性刚度张量，‘为空间坐标，只为单元体力分量，p，为孔隙水压力，口，为增量有效应力参数，4，为Kronecker参数，y为岩石的热膨胀系数，∥为黏土矿物的遇水膨胀系数，￡为岩石内有效饱和度，巴为容水度，t为渗透系数，t，为相对渗透系数，聃为流体黏度系数，是温度的函数，即研=-(r)，岛为流体密度，也是温度的函数日=p(r)，Q为渗流源，r为温度，成为岩石的密度，c，为岩石的热容，疋为热传导系数，岛，c』为水的密度和热容，{“}为水的速度，Q为热源。2．2有限元解该方程组是非线性的，无法获得解析解，故采用数值计算方法进行求解。采用分步解耦的方

8、法

9、2】，分三步：第一步，对流一固耦合求解；第二步，对温度场和渗流场求解；第三步，对上述两个耦合求解部分之间进行耦合迭代，