基于应变软化模型的岩体峰后变形特性和隧洞结构稳定性研究

摘要

岩体峰后本构关系是围岩稳定分析、锚杆支护设计等研究的基础。对岩体峰后本构关系的深入研究可使围岩稳定分析更加精确合理、安全可靠，具有极大的工程意义，同时对岩体力学理论的发展也会起到推动作用。本文针对以往力学模型的不足，结合973课题“高应力强卸荷作用下多组裂隙岩体宏细观力学行为”的研究需要，以弹塑性理论为基础，利用理论推导、实验、概率统计和数值分析等手段，对岩体的变形破坏机理、峰后应力-应变关系、锚固优化和隧洞岩体的稳定性问题进行了研究，主要成果有：
　　 (1)通过对σ1-σ3坐标系下岩块和裂隙面的摩尔-库伦强度曲线的位置关系进行比较，研究了贯穿裂隙的强度特性、破坏方式和锚杆锚固角度的优化方法。揭示了在三轴试验中，当围压较低时，岩体一般沿着结构面破坏，但当围压较高时，岩体有时会转化为沿着岩块剪切破坏的机理，并给出了这一转化的临界围压的解析式和出现这一现象的条件。与传统的摩尔应力圆方法相比，采用σ1-σ3坐标系下的摩尔-库伦强度线研究裂隙岩体的强度特性和破坏机制，方法更简单，更有利于用数学分析的方法解问题。
　　 (2)基于应变软化模型，提出了建立岩体峰后应力-应变关系的一般方法：首先确定应变软化参数和强度准则，然后根据强度参数的演化规律，建立强度参数与应变软化参数之间的联系，根据强度准则，建立应力与强度参数之间的关系，最后以强度参数这一中间变量为纽带得到应力和应变之间的关系。应变软化模型以弹塑性理论为基础，能够综合考虑损伤、围压和剪胀效应等对峰后应力-应变曲线的影响，可以更好的刻画岩体峰后本构关系。
　　 (3)研究了峰后变形阶段变形参数的演化对岩体峰后应力-应变曲线的影响。研究表明，弹性模量与泊松比的演化对岩体峰后应力-应变曲线都有着一定的影响，就影响程度而言，弹性模量对轴向应变的影响较大，而泊松比对侧向应变的影响较大。
　　 (4)研究了应变软化参数的选取对峰后应力.应变曲线的影响，对以塑性剪应变、等效塑性应变和最大塑性主应变作为应变软化参数得到的峰后软化阶段的应力-应变曲线进行了比较研究。
　　 (5)基于应变软化模型，提出了求解多组和随机分布的贯穿裂隙岩体峰后应力-应变关系的一般方法，研究了裂隙的平均间距、法向刚度，剪切刚度对贯穿裂隙岩体峰后应力-应变曲线的影响。
　　 (6)通过对Lee YK等提出的弹塑性求解方法的不足之处进行改进，给出了一个基于应变软化模型对围岩进行弹塑性求解的更加完备的方法，该方法可以考虑弹性模量和泊松比的演化对应力和位移的影响，步骤更加简单。在此基础上研究了塑性区弹性模量和泊松比的演化、剪胀效应和岩石脆性对围岩屈服范围、应力和位移分布的影响。
　　 (7)考虑衬砌对围岩有制约作用的条件下，采用应变软化模型研究了含衬砌有压圆形隧洞围岩的稳定性问题。首先基于Mohr-Coulomb屈服准则，提出了含衬砌有压圆形隧洞围岩的塑性区半径、环向应力和径向位移的数值求解方法，并与文献[166]采用的理想弹塑性模型进行了比较研究。其次基于Hoek-Brown屈服准则，给出了含衬砌有压圆形隧洞的塑性区半径、径向位移和环向应力的求法，并与理想弹塑性和理想弹脆性模型进行了比较研究。理想弹塑性和理想弹脆性模型可以看作应变软化模型的两个极端情况。与理想弹塑性和理想弹脆性模型相比，应变软化模型可以更加精确的描述岩体的峰后软化行为，因而可以更加精确的对围岩进行稳定性分析。
　　 (8)揭示了随着开挖深度的增加，围岩力学行为由结构控制转化为应力控制的机理，给出了围岩破坏行为由结构控制转化为应力控制的临界初始应力的解析解。