深部洞室分區(qū)破裂機(jī)理與數(shù)值模擬分析研究.pdf

1、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(guó)內(nèi)外礦產(chǎn)資源開采的地下巷道、交通建設(shè)的地下隧道以及水電開發(fā)的地下洞室等都已達(dá)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(xué)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(xué)理論無法給出圓滿的解釋。深部洞室分區(qū)破裂已成為當(dāng)今巖土工程研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，因此深入研究

2、分區(qū)破裂現(xiàn)象的產(chǎn)生條件、影響因素及形成機(jī)制，可為我國(guó)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(shè)提供重要的科學(xué)依據(jù)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本文以埋深達(dá)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(yīng)力真三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，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(xué)模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)變梯度理論和連續(xù)損傷力學(xué)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(zhǔn)則，提出了依

3、托ABAQUS平臺(tái)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(jī)制與破壞機(jī)理。論文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)開展了高地應(yīng)力條件下深部洞室多種工況的真三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，研究了洞室形狀、應(yīng)力條件和軟弱夾層對(duì)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(duì)完整區(qū)和破裂區(qū)，測(cè)得了洞周徑向位移、徑向應(yīng)變和應(yīng)力波峰與波谷交替出現(xiàn)的振蕩型變

4、化規(guī)律。
　　(2)分析了巖石應(yīng)變局部化及峰后應(yīng)變軟化和分區(qū)破裂現(xiàn)象之間的關(guān)系，認(rèn)為在分區(qū)破裂現(xiàn)象的研究中應(yīng)該考慮應(yīng)變梯度的影響;基于應(yīng)變梯度理論和連續(xù)損傷力學(xué)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(yīng)變能密度理論建立了分區(qū)破裂能量損傷破壞準(zhǔn)則。
　　(3)應(yīng)用Hermite插值函數(shù)構(gòu)建了可考慮應(yīng)變梯度效應(yīng)的8節(jié)點(diǎn)六面體高階單元，推導(dǎo)了高階單元的形函數(shù)及剛度矩陣，建立了依托ABAQUS平臺(tái)