【摘要】：隨著淺部資源的日益減少以及人類生活空間的逐漸拓展,許多在建和規(guī)劃中的地下工程不斷走向深部；目前國內(nèi)外礦產(chǎn)資源開采的地下巷道、交通建設的地下隧道以及水電開發(fā)的地下洞室等都已達到了千米以上的深度。隨著地下工程開挖深度的不斷增加,深部巖體工程中出現(xiàn)了一系列新的特征科學現(xiàn)象,其中分區(qū)破裂是與淺部洞室破壞模式迥異的非線性破壞現(xiàn)象,并且依靠傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學理論無法給出圓滿的解釋。深部洞室分區(qū)破裂已成為當今巖土工程研究領(lǐng)域的熱點和難點,因此深入研究分區(qū)破裂現(xiàn)象的產(chǎn)生條件、影響因素及形成機制,可為我國深部礦產(chǎn)資源的開發(fā)以及深部水電和交通工程的建設提供重要的科學依據(jù),具有重要的理論意義和工程應用價值。本文以埋深達千米的淮南礦區(qū)丁集煤礦深部巷道為工程背景,開展了多種工況下的高地應力真三維地質(zhì)力學模型試驗,系統(tǒng)研究了分區(qū)破裂現(xiàn)象的產(chǎn)生條件與影響因素；在地質(zhì)力學模型試驗研究的基礎(chǔ)上,通過應變梯度理論和連續(xù)損傷力學建立了分區(qū)破裂彈性損傷軟化模型和分區(qū)破裂能量損傷破壞準則,提出了依托ABAQUS平臺的分區(qū)破裂數(shù)值分析方法,開展了多種工況下深部洞室分區(qū)破裂的數(shù)值模擬研究,有效揭示出分區(qū)破裂的形成機制與破壞機理。論文主要研究內(nèi)容如下：(1)開展了高地應力條件下深部洞室多種工況的真三維地質(zhì)力學模型試驗,研究了洞室形狀、應力條件和軟弱夾層對深部洞室分區(qū)破裂形成過程的影響,揭示出分區(qū)破裂的產(chǎn)生條件與影響因素,觀察到了圍巖內(nèi)間隔分布相對完整區(qū)和破裂區(qū),測得了洞周徑向位移、徑向應變和應力波峰與波谷交替出現(xiàn)的振蕩型變化規(guī)律。(2)分析了巖石應變局部化及峰后應變軟化和分區(qū)破裂現(xiàn)象之間的關(guān)系,認為在分區(qū)破裂現(xiàn)象的研究中應該考慮應變梯度的影響；基于應變梯度理論和連續(xù)損傷力學建立了分區(qū)破裂彈性損傷軟化模型：分析了巖石破壞與能量耗散之間的相關(guān)關(guān)系,根據(jù)應變能密度理論建立了分區(qū)破裂能量損傷破壞準則。(3)應用Hermite插值函數(shù)構(gòu)建了可考慮應變梯度效應的8節(jié)點六面體高階單元,推導了高階單元的形函數(shù)及剛度矩陣,建立了依托ABAQUS平臺的分區(qū)破裂數(shù)值分析方法,開發(fā)了相應的分區(qū)破裂程序并對分區(qū)破裂模型試驗進行了數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗基本吻合,有效證實了分區(qū)破裂彈性損傷軟化模型和數(shù)值分析方法的可靠性。(4)通過模型試驗、理論研究及數(shù)值分析,揭示出分區(qū)破裂的產(chǎn)生機理：最大主應力平行于洞軸方向且量值超過圍巖抗壓強度是產(chǎn)生分區(qū)破裂的基本條件;軸向高地應力作用下,洞周位移和應力呈現(xiàn)波峰與波谷交替的振蕩型變化規(guī)律是產(chǎn)生分區(qū)破裂的力學成因。
【圖文】：

（０）埋深邋９５７ｍ邋的邋Ｏｋ巧ａｂｒｓｋｉｌ邋礦井邐（６）埋深邋１０５０ｍ邋的邋Ｔａｌｍｙｒｓｋｉｉ邋礦井逡逑圖１．２俄羅斯深部礦井中的分區(qū)破裂現(xiàn)象ｉｓｉ逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｚｏｎａｌ邋ｄｉｓｉｎ化ｇｒａｔｉｏｎ邋ｐｈｅｎｏｍｅｎａ邋ｏｆ邋ｄｅｅｐ邋ｍｉｎｅ邋ｉｎ邋Ｒｕｓｓｉａ邋霞逡逑１９７９年我國學者李世平Ｗ測試了徐州權(quán)臺煤礦上萬根鋪桿的受力情況，發(fā)逡逑現(xiàn)有部分錯桿內(nèi)出現(xiàn)了拉壓交替的現(xiàn)象。１９８７年鹿守敏和董芳庭［７１通過超聲波逡逑觀測到圍巖內(nèi)部的破裂區(qū)。劉高、王小春等Ｗ在地應力較高的金川礦區(qū)對圍巖逡逑內(nèi)的應力場做了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)由洞壁至圍巖深部的應力分布并不是單調(diào)變化的，逡逑出現(xiàn)了多處相對的應力增高區(qū)和降低區(qū)。方祖烈Ｗ也在金川礦區(qū)觀測到了圍巖逡逑內(nèi)存在的拉應力區(qū)和壓應力區(qū)交替分布的現(xiàn)象。上述這些監(jiān)測現(xiàn)象在當時并沒逡逑有與分區(qū)破裂現(xiàn)象聯(lián)系起來，還不能作為分區(qū)破裂現(xiàn)象的直接證據(jù)。逡逑２００８年李術(shù)才、王漢鵬等在淮南礦區(qū)了集煤礦近千米深的不同斷面尺寸逡逑的巷道中，通過鉆孔電視系統(tǒng)監(jiān)測了巷道圍巖深處的破裂區(qū)分布情況，給出了逡逑巷道周圍的分區(qū)破裂分布圖，見圖１．３。２００９年許宏發(fā)ｔｉｌｌ應用電阻率測定儀測逡逑試了Ｔ集煤礦深部巷道圍巖內(nèi)的電阻率變化曲線，并且與鉆孔電視直接觀測到逡逑的破裂區(qū)分布做了對比，，證實了分區(qū)破裂現(xiàn)象的存在。逡逑３逡逑

０邐１邐２邋３ｍ逡逑？＝愛現(xiàn)有裂隙巧梧孔＾賈n,裂隙帶的展布逡逑圖１．１南非Ｗｉｔｗａｔｅｒｓｒａｎｄ金礦巷道頂板間隔巧壞現(xiàn)象Ｗ逡逑Ｆｉｇ，邋１．１邋Ｚｏｎａｌ邋ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ邋ｐｈｅｎｏｍｅｎａ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｒｏｏｆ邋ｏｆ邋Ｗｉｔｗａｔｅｒｓｒａｎｄ逡逑Ｇｏｌｄ邋ｍｉｎｅ邋ｔｕｎｎｅｌ邋ｉｎ邋Ｓｏｕｔｈ邋Ａｆｒｉｃａ逡逑（０）埋深邋９５７ｍ邋的邋Ｏｋ巧ａｂｒｓｋｉｌ邋礦井邐（６）埋深邋１０５０ｍ邋的邋Ｔａｌｍｙｒｓｋｉｉ邋礦井逡逑圖１．２俄羅斯深部礦井中的分區(qū)破裂現(xiàn)象ｉｓｉ逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｚｏｎａｌ邋ｄｉｓｉｎ化ｇｒａｔｉｏｎ邋ｐｈｅｎｏｍｅｎａ邋ｏｆ邋ｄｅｅｐ邋ｍｉｎｅ邋ｉｎ邋Ｒｕｓｓｉａ邋霞逡逑１９７９年我國學者李世平Ｗ測試了徐州權(quán)臺煤礦上萬根鋪桿的受力情況，發(fā)逡逑現(xiàn)有部分錯桿內(nèi)出現(xiàn)了拉壓交替的現(xiàn)象。１９８７年鹿守敏和董芳庭［７１通過超聲波逡逑觀測到圍巖內(nèi)部的破裂區(qū)。劉高、王小春等Ｗ在地應力較高的金川礦區(qū)對圍巖逡逑內(nèi)的應力場做了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)由洞壁至圍巖深部的應力分布并不是單調(diào)變化的，逡逑出現(xiàn)了多處相對的應力增高區(qū)和降低區(qū)。方祖烈Ｗ也在金川礦區(qū)觀測到了圍巖逡逑內(nèi)存在的拉應力區(qū)和壓應力區(qū)交替分布的現(xiàn)象。上述這些監(jiān)測現(xiàn)象在當時并沒逡逑有與分區(qū)破裂現(xiàn)象聯(lián)系起來，還不能作為分區(qū)破裂現(xiàn)象的直接證據(jù)。逡逑２００８年李術(shù)才、王漢鵬等在淮南礦區(qū)了集煤礦近千米深的不同斷面尺寸逡逑的巷道中，通過鉆孔電視系統(tǒng)監(jiān)測了巷道圍巖深處的破裂區(qū)分布情況，給出了逡逑巷道周圍的分區(qū)破裂分布圖，見圖１．３。２００９年許宏發(fā)ｔｉｌｌ應用電阻率測定儀測逡逑試了Ｔ集煤礦深部巷道圍巖內(nèi)的電阻率變化曲線
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU452

【參考文獻】

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1 王學濱;潘一山;張智慧;;基于加荷和卸荷模型的分區(qū)破裂化初步模擬及空間局部化機理[J];遼寧工程技術(shù)大學學報(自然科學版);2012年01期

2 李春睿;康立軍;齊慶新;毛德兵;劉全明;李宏艷;彭永偉;;深部巷道圍巖分區(qū)破裂與沖擊地壓關(guān)系初探[J];煤炭學報;2010年02期

3 袁亮;顧金才;薛俊華;張向陽;;深部圍巖分區(qū)破裂化模型試驗研究[J];煤炭學報;2014年06期

4 陳勝宏,王鴻儒,熊文林;節(jié)理巖體偶應力影響的研究[J];水利學報;1990年01期

5 張智慧;王學濱;潘一山;粟愛國;;分區(qū)破裂相似材料分層觀測試驗研究[J];水資源與水工程學報;2010年05期

6 張智慧;王學濱;潘一山;;利用多種相似材料模擬分區(qū)破裂現(xiàn)象的試驗研究[J];水資源與水工程學報;2011年03期

7 王學濱,宋維源,黃梅,潘一山;考慮水致弱化及應變梯度的斷層巖爆分析[J];巖石力學與工程學報;2004年11期

8 顧金才;顧雷雨;陳安敏;徐景茂;陳偉;;深部開挖洞室圍巖分層斷裂破壞機制模型試驗研究[J];巖石力學與工程學報;2008年03期

9 佘成學，熊文林，陳勝宏;具有彎曲效應的層狀結(jié)構(gòu)巖體變形的Cosserat介質(zhì)分析方法[J];巖土力學;1994年04期

10 王明洋;解東升;李杰;張寧;;深部巖體變形破壞動態(tài)本構(gòu)模型[J];巖石力學與工程學報;2013年06期

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1 潘一山;沖擊地壓發(fā)生和破壞過程研究[D];清華大學;1999年

本文編號：2527181