高地应力硬岩洞室开挖破坏区数值分析

摘要

随着深部地下洞室的大量兴建，深部开挖过程中开挖破坏区的形成及其预测成为国内外岩石力学研究的焦点。本文首先对硬岩破坏过程的力学特性进行了分析，在此基础上对当前岩石力学工程界惯常采用的连续介质本构模型和粘聚力弱化-摩擦强度强化(CWFS)模型进行了比较；探讨了不同本构模型的峰值后期力学特性以及模拟高地应力硬岩洞室围岩脆性破坏和开挖破坏区的合理性。借助于适合于岩土工程的数值分析软件FLAC，对不同模型的力学参数进行了敏感性分析，探讨了各力学参数变化对模拟开挖破坏区的影响程度。论文进一步采用理想弹塑性、弹脆塑性、应变软化及CWFS模型，基于各模型峰后力学特性演化规律及参数分析结果选取岩体力学参数，对加拿大Mine-by Experiment圆形试验洞室进行了数值分析，基于对围岩位移、应力分布、关键点应力大小和塑性区分布的对比分析，发现CWFS模型计算得到的应力场更能准确反映破坏区产生后应力向围岩深部转移并集中的特征；这一应力分布特征与开挖破坏区不存在时的结果更接近；与其它模型相比，CWFS模型计算得到的破坏区范围和深度更大，与现场实测值更加吻合。在此基础上，论文最后提出了使用CWFS模型的简化且满足一定精度要求的参数取值方法；利用该方法对挪威Kobbskaret公路隧道及瑞典Garpenberg矿竖井破坏区大小进行了计算分析并与实测结果进行了对比。结果表明采用本文的简化参数取值方法来预测开挖破坏区深度、范围是可行的，并再此验证了采用CWFS模型对硬岩开挖破坏区预测的合理性。
　　本文提出的CWFS模型简化的参数取值方法，不仅能够反映出CWFS模型的峰后力学特性，而且能够体现各参数取值的相对重要性以及它们在模拟开挖破坏方面的影响程度。在现场数据和设计资料有限的情况下，该方法也可以为深埋洞室开挖破坏区提供一种精度较高的预测。这一研究成果对于深入了解围岩开挖破坏规律、判定围岩稳定性和预测开挖破坏区具有重要的指导作用。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 研究现状

1.2.1 深埋工程研究现状

1.2.2 硬岩开挖破坏区研究现状

1.2.3 硬岩开挖破坏区的数值模拟进展

1.2.4 硬岩开挖破坏区的预测

1.3 本文的研究思路、方法及主要内容

1.3.1 研究思路

1.3.2 研究方法

1.3.3 主要内容

第2章 硬岩渐进破坏过程及模拟方法

2.1 硬岩破坏过程分析

2.2 破坏过程的模拟方法

2.2.1 传统的连续介质模型

2.2.2 CWFS模型

2.3 本章小结

第3章 数值分析模型及参数

3.1 引言

3.2 数值分析程序简介

3.2.1 FLAC计算程序

3.2.2 FLAC的基本原理

3.2.3 FLAC的计算步骤

3.2.4 FLAC中的基本本构模型

3.3 实例工程及数值模型介绍

3.3.1 工程介绍

3.3.2 数值计算模型

3.3.3 边界条件和初始地应力

3.3.4 不同本构模型及参数

3.3.5 参数敏感性分析及参数选择

3.3.6 计算方案

3.4 本章小结

第4章 数值计算结果分析

4.1 围岩位移分析

4.1.1 围岩位移分布分析

4.1.2 监测点布置

4.1.3 监测点位移分析

4.2 应力分析

4.2.1 围岩应力分布分析

4.2.2关键点布置

4.2.3关键点应力分析

4.3 开挖破坏区预测分析

4.4 本章小结

第5章 开挖破坏区预测及工程应用

5.1 引言

5.2 参数取值方法

5.3 工程实例

5.3.1 工程1概况

5.3.2 工程2概况

5.4 工程1开挖破坏区预测及对比分析

5.4.1 计算模型及边界条件

5.4.2 CWFS模型计算参数

5.4.3 计算结果分析

5.5 工程2开挖破坏区预测及对比分析

5.5.1 计算模型及边界条件

5.5.2 CWFS模型计算参数

5.5.3 计算结果分析

5.6 本章小结

结论及展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)