本文關(guān)鍵詞：應力釋放與孔壓作用下圓隧圍巖黏彈性變形解析理論

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【摘要】：隨著礦山開采工程、水利水電工程向深部發(fā)展,高地應力與高孔隙水壓條件下巖巷長期變形與穩(wěn)定問題日益突出。一方面,高地應力區(qū)原巖儲能的逐步釋放,即應力釋放作用顯著。另一方面,高孔隙水壓條件下,圍巖的孔壓劣化效應也尤為突出,對巖巷長期穩(wěn)定具有極為不利的影響。假設圍巖的力學性態(tài)服從分數(shù)階Burgers蠕變模型,利用彈性-黏彈性的對應原理獲得了在隧洞開挖面空間效應下的深埋巖巷圍巖黏彈性蠕變解。進而基于Terzaghi有效應力原理,建立孔隙水壓作用下軸對稱巖巷的平衡方程,利用平面應變理論計算彈性應力場,并在體積應變率保持不變下獲得高孔隙水壓劣化Kelvin流變圍巖的黏彈性蠕變解。在論述解析解正確性與優(yōu)越性的基礎上,分析討論了應力釋放、孔隙水壓、成洞時間及更多相關(guān)參數(shù)對軸對稱巖巷蠕變行為的影響規(guī)律。結(jié)果表明:(1)采用分數(shù)階Burgers蠕變模型可以充分反映圍巖黏彈性的蠕變特性,其中包含了蠕變的衰減特性與蠕變的穩(wěn)定增長特性;(2)與諸多的蠕變模型,比如鮑埃丁-湯姆遜模型(H/M)、廣義Kelvin模型等的計算結(jié)果相比,分數(shù)階Burgers蠕變模型可以通過改變階次來全面反映不同巖性的圍巖,其中包括硬巖與軟巖的蠕變黏彈性行為。(3)圍巖變形受到開挖面空間效應和成洞時間效應的雙重影響,在緊鄰和遠離開挖面的圍巖蠕變行為中,占主導作用的分別為開挖面空間效應和成洞時間效應;另外,Hoek方程、Y.L.Lee方程與M.Panet方程均能較好地刻畫與開挖面空間效應相關(guān)的應力釋放響應。(4)洞壁內(nèi)水壓力較小時,孔隙水壓對圍巖質(zhì)量的劣化作用偏弱,洞壁位移發(fā)展較小。隨著孔隙水壓增大,蠕變穩(wěn)定階段逐漸向不穩(wěn)定發(fā)展,尤其在高孔隙水壓作用下圍巖劣化變形能力明顯增大;另外,圍巖蠕變衰減階段過渡到蠕變亞穩(wěn)定階段的時間尺度基本不受洞壁內(nèi)水壓力的影響。(5)當黏滯系數(shù)的取值較大的時候,巖體蠕變速率的遞減會越快,圍巖蠕變也就很快進入蠕變穩(wěn)定階段;黏滯系數(shù)只對洞壁位移收斂過程產(chǎn)生影響,而對洞壁位移最終收斂量沒有影響;在孔壓劣化效應下,巖巷圍巖蠕變對泊松比敏感性較強。(6)采用不同函數(shù)形式,即指數(shù)函數(shù)與冪函數(shù)擬合孔壓劣化效應時,其計算結(jié)果驗證了兩種擬合函數(shù)的適用性;值得注意的是,由于不同巖性的巖體蠕變參數(shù)辨識差異較大,計算得到的位移以及各蠕變階段所持續(xù)的時間尺度在定量上存在較大差別,但卻在定性上保持較好的一致性。本研究深化了應力釋放與孔壓劣化下軸對稱巖巷時效變形響應的理論理解,為圍巖長期穩(wěn)定性的判斷提供理論支持,希望能帶來方法上的進步。
【關(guān)鍵詞】：圍巖蠕變 應力釋放 孔隙水壓 時空效應 分數(shù)階微積分 黏彈性
【學位授予單位】：華僑大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TU45
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-14
• 第1章 緒論14-24
• 1.1 研究背景及意義14-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-21
• 1.3 本課題的特色與創(chuàng)新之處21-22
• 1.4 本文的研究內(nèi)容22-24
• 第2章 基礎理論與計算模型24-44
• 2.1 分數(shù)階Burgers蠕變模型24-34
• 2.1.1 分數(shù)階微積分理論基礎24-26
• 2.1.2 分數(shù)階Maxwell模型與Kelvin模型26-33
• 2.1.3 分數(shù)階Burgers蠕變模型的構(gòu)建33-34
• 2.2 H/M蠕變模型與廣義Kelvin蠕變模型34-39
• 2.3 開挖面空間效應39-40
• 2.4 孔壓劣化效應及其蠕變模型40-42
• 2.4.1 黏彈性模量指數(shù)函數(shù)劣變40-41
• 2.4.2 黏彈性模量冪函數(shù)劣變41-42
• 2.5 小結(jié)42-44
• 第3章 應力釋放下圓形巖巷黏彈性蠕變變形解析44-76
• 3.1 分數(shù)階Burgers流變巖巷黏彈性變形計算44-49
• 3.1.1 考慮應力釋放影響的巖巷圍巖力學響應44
• 3.1.2 分數(shù)階Burgers流變巖體巖巷計算模型44-48
• 3.1.3 分數(shù)階Burgers流變巖體巖巷蠕變場計算48-49
• 3.2 分數(shù)階Burgers流變巖體巖巷黏彈性變形分析49-57
• 3.2.1 解析解驗證49-54
• 3.2.2 參數(shù)敏感性分析54-57
• 3.3 黏彈性流變巖體巖巷變形的深化分析57
• 3.4 開挖面空間效應相關(guān)模型的參數(shù)敏感性探討57-74
• 3.5 小結(jié)74-76
• 第4章 考慮孔隙水壓劣化作用的圍巖黏彈性變形解析76-108
• 4.1 考慮孔隙水壓劣化作用的圍巖黏彈性變形計算76-83
• 4.1.1 孔隙水壓劣化圍巖計算模型76-78
• 4.1.2 考慮孔隙水壓影響的圍巖應力重分布78-80
• 4.1.3 考慮孔隙水壓劣化作用的圍巖蠕變場計算80-83
• 4.2 黏彈性模量指數(shù)函數(shù)劣變下圍巖黏彈性變形響應分析83-91
• 4.3 黏彈性模量冪函數(shù)劣變下圍巖黏彈性變形響應分析91-96
• 4.4 不同巖性下考慮孔隙水壓劣化作用的圍巖黏彈性變形深化分析96-106
• 4.4.1 考慮孔隙水壓劣化作用的凝灰?guī)r類圍巖蠕變特性分析96-103
• 4.4.2 考慮孔隙水壓劣化作用的玄武巖類圍巖蠕變特性分析103-106
• 4.5 小結(jié)106-108
• 第5章 結(jié)論與展望108-110
• 參考文獻110-116
• 致謝116-118
• 個人簡歷及在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與依托課題118

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