【摘要】：隨著交通和水利水電重大基礎(chǔ)設(shè)施工程的建設(shè),我國已成為世界上隧道修建規(guī)模與難度最大的國家。這些隧道等巖石工程在修建過程中會遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)條件和外部環(huán)境條件,碎裂圍巖大變形以及所誘發(fā)的大體積塌方是隧道工程常有的一種災(zāi)害形式。因此,針對裂隙巖體變形破壞過程的分析研究對于隧道的運行長期穩(wěn)定性具有十分重大的現(xiàn)實工程意義、社會意義。巖石經(jīng)過漫長的年代形成,在其形成的過程中存在了大量隨機的天然缺陷,它的變形破壞規(guī)律受周圍力學環(huán)境及自身強度條件的影響。對于裂隙巖石其變形破壞機制除受上述因素的影響之外,還要考慮本身裂隙的影響。而且隧道裂隙圍巖的整個變形-塌方過程本質(zhì)上是一個連續(xù)到非連續(xù)的過程,因此單純地采用連續(xù)的方法分析其全過程并不科學,對于已經(jīng)發(fā)生塌落的區(qū)域應(yīng)將其視為非連續(xù)區(qū)域。因此我們將連續(xù)與非連續(xù)分析方法結(jié)合來是研究裂隙巖體變形破壞-塌方過程的一個可選路徑。本文通過室內(nèi)光彈性試驗,基于能量耗散理論從宏、細觀的角度分析了裂隙巖體的變形演化規(guī)律,并建立了基于橋域法的區(qū)域耦合數(shù)值分析方法。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)采用反射式光彈儀,開展了不同傾角裂隙的多尺寸巖體變形破壞單軸壓縮試驗,研究了裂隙巖體試件尺寸及裂隙傾角對裂隙巖體強度及破壞模式的共同影響,基于光學-應(yīng)力定律獲得了試件表面全場應(yīng)力應(yīng)變,揭示了裂隙巖體變形演化規(guī)律。(2)基于能量耗散原理及應(yīng)變能密度理論,引入損傷變量,建立了考慮尺寸效應(yīng)的裂隙巖體非線性損傷破壞本構(gòu)模型,分析了損傷本構(gòu)模型參數(shù)與試件尺寸、節(jié)理傾角的關(guān)系,提出了裂隙巖石非線性損傷破壞的能量判別準則。基于上述本構(gòu)方程和判別準則,依托FLAC3D軟件平臺,開發(fā)了裂隙巖體損傷破裂的計算程序,模擬了裂隙巖體的非線性損傷破壞過程,其模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本相同,驗證了上述判別準及數(shù)值方法的正確性及可行性。(3)基于Helmholtz自由能,引入接觸損傷變量,從細觀層面分析了顆粒離散元中顆粒間作用力與位移的關(guān)系,建立了顆粒非線性損傷接觸模型�；陂_源離散元軟件YADE,采用上述損傷接觸模型,模擬了單軸壓縮條件下裂隙巖石的變形破壞過程,結(jié)合室內(nèi)試驗對其進行了驗證,同時開展了三軸壓縮條件下裂隙巖石細觀變形破壞數(shù)值試驗,分析了三軸壓縮條件下裂隙傾角及試件尺寸對其變形破壞過程的影響。(4)基于橋域法,引入能量權(quán)函數(shù),推導了不同模型的補償力(力矩),建立了裂隙巖體非線性宏-細觀耦合分析模型,開發(fā)了耦合區(qū)域的程序代碼,模擬了裂隙巖體的漸進破壞過程,并與純離散元模型計算結(jié)果進行了對比,驗證了上述耦合方法的正確性及有效性。(5)在前述研究的基礎(chǔ)上,以潮惠公路隧道、長崗隧道工程為背景,采用本文提出的顆粒損傷接觸純離散元模型及區(qū)域耦合模型,分析了不同荷載條件下隧道圍巖的大變形-塌方的過程。
【圖文】：

圖１－邋１隧道塌方逡逑Ｆｉｇ．邋１－邋１邋Ｔｕｎｎｅｌ邋ｃｏｌｌａｐｓｅ逡逑１．１．２研究意義逡逑在目前的公路隧道、鐵路隧道等工程中裂隙巖體是城市軌道交通建設(shè)、邊坡逡逑及地下水電碩室等巖石工程中經(jīng)�？梢杂龅降囊活悘�(fù)雜的巖體，其力學強度、變逡逑形特征將直接影響各類巖止工程施工設(shè)計與運行期的穩(wěn)定性。實際上，巖石作為逡逑自然界中經(jīng)過長期地質(zhì)構(gòu)造運動所形成的最為復(fù)雜的固體材料之一，在發(fā)生變形逡逑和破壞時，會表現(xiàn)出強烈的非線性，，且在裂紋貫通后進入非連續(xù)狀態(tài)，其力學特逡逑性不可逆。但能量的變化貫穿整個過程，即它的變形破壞歸根到底是能量驅(qū)動下逡逑的一種狀態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象。由此看來，如果能將能量傳遞與轉(zhuǎn)化引入分析巖石變形破逡逑壞過程中，建立以能量變化為主的非線性強度理論，就能更準確地描述巖石損傷逡逑變形破壞的全過程。逡逑在以往的研究中，學者們在連續(xù)宏觀尺度上提出了許多數(shù)值方法用于研究裂逡逑

——標準養(yǎng)護２８逡逑天。制成的巖樣如圖２－３所示。為方便試驗結(jié)果的處理，將試件進行編號，例如逡逑“Ａ－３０°－０．５”第一個字母表示巖樣Ａ邋Ｃ尺寸１０ｃｍｘｌ０ｃｍｘ５ｃｍ），第二個數(shù)值表示預(yù)逡逑制裂隙傾角為３０°，第三個表示高寬比為０．５。逡逑表２－１試樣和砂巖的物理力學參數(shù)逡逑Ｔａｂｌｅ邋２－１邋Ｐｈｙｓｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｏｆ邋ｓａｍｐｌｅ邋ａｎｄ邋ｓａｎｄｓｔｏｎｅ逡逑試件密度邋單軸抗壓強單軸抗拉強壓縮彈性內(nèi)摩粘聚力逡逑力人邐／ｇ．ｃｍ－３邐度／ＭＰａ邐度／ＭＰａ邐模／ＧＰａ邐擦角邐／ＭＰａ逡逑模型邐２．２０邐３２．６０邐５．３２邐４．４０邐０．２１邐３１邐５．１４逡逑砂巖邐２．］０￣２．８０邐２０－１６０邐４－２０邐４￣５０邐０．１－０．３邐３０－５０邐４￣４０逡逑條弋Ｖ邋．，…逡逑；Ｔ邋＇邋．１邐？邐＊邋，洕二如逡逑圖２－１預(yù)制裂隙逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｐｒｅ－ｅｘｉｓｔｉｎｇ邋ｆｉｓｓｕｒｅｓ逡逑ａ：—．丨Ｊｇｌ曑W逡逑ＬＷ１｜
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU45

【參考文獻】

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本文編號：2633757