大型地下洞室开挖围岩卸荷变形机理及其稳定性研究

摘要

正在施工的三峡工程右岸地下电站区地质条件复杂，开挖规模大，主厂房长311.3m×宽32.6m×高87.3m，大量地下岩体开挖必将引起围岩应力场的变化，致使围岩应力在开挖方向卸荷松驰，卸荷差异变形明显。而这种大型岩体开挖工程稳定性问题，在过去一般是运用加载岩体力学的方法来研究，但卸荷条件下，岩体的力学特征、本构方程、裂隙扩展方式与加载时是不同的，因此用加载岩体力学的方法来评价围岩的稳定性是不完善的。本文以三峡地下电站主厂房施工开挖为工程背景，以大量岩石(体)卸荷试验和主厂房施工监测成果为基础，以数理统计、弹塑性岩体力学、断裂力学、工程地质分析及数值分析为研究手段，对卸荷条件下岩体的力学特性、本构模型、变形破坏机理及围岩稳定性等方面从理论到工程应用进行了较为系统的研究，取得以下主要研究成果： (1)基于岩石卸荷试验，揭示了岩石卸荷变形、卸荷过程中岩石参数的弱化及峰后应力脆性跌落特征。卸荷引起的强烈扩容是岩石变形破坏的根本原因，具有较强的峰后应力脆性跌落特征，应力脆性跌落系数与初始围压具有较好的相关性。卸荷过程中岩体的变形模量E逐渐减小而泊松比μ逐渐增大，E减小约5％～25％，μ增大约50％～300％，这种变化幅度随初始围压的增大和卸荷程度的增强而变大，其变化与体积应变有较好的相关性。相对常规压缩试验，卸荷岩体的摩擦角ψ有所增大而粘聚力c却大大减小：卸载围压且同时升轴压试验的峰值c减小约33.2％，残余c减小约65.3％，峰值ψ增大约14.7％，残余ψ增大约33.2％；同时卸载围压和轴压试验的峰值c减小约47.8％，残余c减小约77.6％，峰值ψ增大约9.4％，残余ψ增大约5.9％。 (2)卸荷岩体在屈服点附近符合Griffith屈服准则，而到达峰值后符合Mohr-Coulomb屈服准则，假设卸荷岩体屈服是随体积应变从Griffith屈服至Mohr-Coulomb屈服线性过渡，可构造出卸荷岩体的屈服准则，进而求出其相应的本构方程。将岩体卸荷应力～应变曲线分为弹性、卸荷屈服、峰后脆性及残余理想塑性四个阶段，求出其相应段的本构方程，得出卸荷岩体全过程的本构模型。 (3)基于裂隙岩体相似模型试验，揭示了卸荷条件下裂隙岩体的强度、变形特征、破坏形态及裂隙扩展演化过程。在单裂隙岩体中，岩体的卸荷破坏强度随裂隙与卸荷方向夹角的增大而减小的，而在双裂隙模型中，陡～缓倾角组合岩桥强度最低，陡倾角组合岩桥的强度相对较高；裂隙卸荷扩展具有阶段性和突发性，变形会出现多级突跳现象，当发展到裂隙贯通时，位移会出现大幅度的阶跃，位移突跳的次数与新生裂纹的数量正相关。卸荷扩展裂隙一般带有一定程度的张性特征，其卸荷扩展方式有剪切扩展、张拉扩展、拉剪复合扩展及冀裂纹扩展四种类型，岩桥卸荷破坏可归纳为剪切破坏、张剪复合破坏和张拉破坏，以张剪复合破坏为主。 (4)地下洞室开挖卸荷过程中，裂隙面的应力状态经历了从压剪应力状态逐渐向拉剪应力状态的变化过程，基于断裂力学理论，对压剪及拉剪切应力状态下裂隙扩展时的应力强度因子进行对比分析，说明卸荷条件下裂隙更容易扩展。同时也探究了裂隙扩展过程中分支裂隙尖端的应力强度因子，进而确定裂隙扩展的长度，首次推导了拉剪应力状态下裂隙扩展过程中分支裂隙尖端的应力强度因子。 (5)基于主厂房施工监测，结合工程地质条件分析围岩的开挖卸荷变形机理及其稳定性。对含断层围岩的开挖卸荷稳定性进行较系统的数值模拟，提出了以最大应力集中系数、应力松驰区面积、最大变形量、特征部位变形大小和塑性区面积等量化指标评价断层分布部位、初始地应力场和断层抗剪强度参数对围岩稳定性影响的方法，阐述了含断层围岩开挖卸荷变形机理及其稳定特征。 (6)根据块体理论及工程地质分析，总结了主厂房开挖块体的失稳模式。对不同部位典型块体数值模拟分析表明不同部位的块体二次应力场、变形及塑性区分布特点不同，提出了块体变形失稳演化机理和局部稳定性评价的量化指标，同时将强度折减法应用到主厂房块体整体稳定性评价中并与极限平衡稳定性计算结果进行比较，阐述了地应力场对块体稳定性的影响和极限平衡计算中存在的缺陷。 (7)一般弹塑性数值分析并没有考虑开挖岩体的卸荷效应，利用FLAC软件内置fish语言，编写了考虑卸荷过程中岩体参数弱化的数值计算程序，并对主厂房开挖稳定性进行了模拟计算，计算结果与监测相符，较一般弹塑性计算结果更符合工程开挖实际。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1选题依据及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1岩体卸荷力学特性研究现状

1.2.2卸荷岩体本构关系研究现状

1.2.3岩体裂隙卸荷扩展及岩桥断裂机制研究现状

1.2.4地下硐室围岩卸荷变形机理研究现状

1.2.5地下硐室围岩稳定性评价研究现状

1.2.6当前研究中存在的不足

1.3研究内容及技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

1.4主要研究成果

第2章三峡工程地下电站区工程地质条件

2.1区域地质背景

2.2地形地貌

2.3地层岩性

2.4地质构造

2.4.1断层

2.4.2裂隙

2.5岩体风化

2.6天然地应力

2.7岩(石)体物理力学性质

第3章三峡工程地下厂房的岩体结构特征

3.1岩体结构的构造演化

3.2结构面工程地质分级

3.3结构面工程类型的划分

3.4结构面描述体系

3.5结构面工程地质特征

3.5.1 Ⅰ级结构面

3.5.2 Ⅱ级结构面

3.5.3基体结构面

3.6结构面力学参数特征

3.7结构体特征

3.7.1块体的工程地质特征

3.7.2围岩类型

第4章卸荷条件下岩石力学特性试验及本构模型

4.1概述

4.2卸荷试验中应力路径的确定

4.3试验围压、设备及试件制备

4.4实验结果分析

4.4.1试验数据的处理原则

4.4.2加卸载变形特征分析

4.4.2卸荷过程中岩石参数的变化特征

4.4.3加卸载岩石的峰后应力脆性跌落系数

4.4.4岩石卸荷破裂特征及机制分析

4.5岩石卸荷的CWFS模型

4.6岩石卸荷屈服准则及本构模型

4.7本章小结

第5章卸荷条件下裂隙扩展模型试验及断裂力学机制

5.1概述

5.2相似理论

5.2.1相似理论

5.2.2相似材料及其物理力学参数

5.3试验方案及设备

5.3.1裂隙岩体模型及制作

5.3.2地下洞室开挖卸荷过程的模拟

5.3.3试验设备

5.4试验结果分析

5.4.1裂隙岩体强度特征

5.4.2裂隙岩体变形特征

5.4.3裂隙岩体的破坏形态及其演化机制

5.5卸荷条件下裂隙扩展的断裂力学判据

5.5.1卸荷引起的裂隙周边应力场的变化

5.5.2断裂力学基础理论

5.5.3卸荷引起裂隙扩展的断裂力学判据

5.6本章小结

第6章开挖卸荷条件下围岩变形稳定性分析

6.1概述

6.2主厂房监测成果分析

6.2.1围岩二次应力场监测

6.2.2围岩变形监测

6.2.3围岩松动圈监测

6.2.4基于监测的围岩稳定性评价

6.3含断层围岩卸荷稳定性数值模拟分析

6.3.1 FLAC简介

6.3.2模型概化及计算方案

6.3.3断层分布位置的影响

6.3.4初始应力状态的影响

6.3.5断层抗剪强度参数对围岩变形的影响

6.4本章小结

第7章开挖卸荷条件下块体稳定性分析

7.1概述

7.2块体变形局部化特征及局部稳定性评价

7.2.1分析块体的选取及基本特征

7.2.2数值模型的建立

7.2.3计算结果分析

7.2.4重力应力场环境下的对比分析

7.2.5块体局部稳定性评价

7.2.6块体变形失稳的演化机制

7.3基于强度折减法的块体稳定性分析

7.3.1强度折减法原理

7.3.2失稳判据分析

7.3.3对结构面起伏度的探讨

7.3.4稳定性计算

7.4本章小节

第8章考虑卸荷效应的围岩稳定性数值模拟分析

8.1概述

8.2考虑卸荷效应的程序编制

8.3模型建立

8.3.1几何模型

8.3.2边界条件及岩体参数

8.3.3开挖方案

8.3.4锚固方案及参数

8.3.5计算跟踪点布置

8.4计算结果分析

8.4.1应力场分析

8.4.2变形分析

8.4.3塑性区分析

8.5围岩稳定性及锚固效果评价

8.6本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士期间发表论文及科研成果