大型地下洞室開挖圍巖卸荷變形機(jī)理及其穩(wěn)定性研究.pdf

1、正在施工的三峽工程右岸地下電站區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，開挖規(guī)模大，主廠房長311.3m×寬32.6m×高87.3m，大量地下巖體開挖必將引起圍巖應(yīng)力場的變化，致使圍巖應(yīng)力在開挖方向卸荷松馳，卸荷差異變形明顯。而這種大型巖體開挖工程穩(wěn)定性問題，在過去一般是運(yùn)用加載巖體力學(xué)的方法來研究，但卸荷條件下，巖體的力學(xué)特征、本構(gòu)方程、裂隙擴(kuò)展方式與加載時(shí)是不同的，因此用加載巖體力學(xué)的方法來評價(jià)圍巖的穩(wěn)定性是不完善的。本文以三峽地下電站主廠房施工開挖為工程背

2、景，以大量巖石(體)卸荷試驗(yàn)和主廠房施工監(jiān)測成果為基礎(chǔ)，以數(shù)理統(tǒng)計(jì)、彈塑性巖體力學(xué)、斷裂力學(xué)、工程地質(zhì)分析及數(shù)值分析為研究手段，對卸荷條件下巖體的力學(xué)特性、本構(gòu)模型、變形破壞機(jī)理及圍巖穩(wěn)定性等方面從理論到工程應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，取得以下主要研究成果： (1)基于巖石卸荷試驗(yàn)，揭示了巖石卸荷變形、卸荷過程中巖石參數(shù)的弱化及峰后應(yīng)力脆性跌落特征。卸荷引起的強(qiáng)烈擴(kuò)容是巖石變形破壞的根本原因，具有較強(qiáng)的峰后應(yīng)力脆性跌落特征，應(yīng)力脆

3、性跌落系數(shù)與初始圍壓具有較好的相關(guān)性。卸荷過程中巖體的變形模量E逐漸減小而泊松比μ逐漸增大，E減小約5％～25％，μ增大約50％～300％，這種變化幅度隨初始圍壓的增大和卸荷程度的增強(qiáng)而變大，其變化與體積應(yīng)變有較好的相關(guān)性。相對常規(guī)壓縮試驗(yàn)，卸荷巖體的摩擦角ψ有所增大而粘聚力c卻大大減小：卸載圍壓且同時(shí)升軸壓試驗(yàn)的峰值c減小約33.2％，殘余c減小約65.3％，峰值ψ增大約14.7％，殘余ψ增大約33.2％；同時(shí)卸載圍壓和軸壓試驗(yàn)的峰值

4、c減小約47.8％，殘余c減小約77.6％，峰值ψ增大約9.4％，殘余ψ增大約5.9％。 (2)卸荷巖體在屈服點(diǎn)附近符合Griffith屈服準(zhǔn)則，而到達(dá)峰值后符合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，假設(shè)卸荷巖體屈服是隨體積應(yīng)變從Griffith屈服至Mohr-Coulomb屈服線性過渡，可構(gòu)造出卸荷巖體的屈服準(zhǔn)則，進(jìn)而求出其相應(yīng)的本構(gòu)方程。將巖體卸荷應(yīng)力～應(yīng)變曲線分為彈性、卸荷屈服、峰后脆性及殘余理想塑性四個(gè)階段，求出其相應(yīng)段的本

5、構(gòu)方程，得出卸荷巖體全過程的本構(gòu)模型。 (3)基于裂隙巖體相似模型試驗(yàn)，揭示了卸荷條件下裂隙巖體的強(qiáng)度、變形特征、破壞形態(tài)及裂隙擴(kuò)展演化過程。在單裂隙巖體中，巖體的卸荷破壞強(qiáng)度隨裂隙與卸荷方向夾角的增大而減小的，而在雙裂隙模型中，陡～緩傾角組合巖橋強(qiáng)度最低，陡傾角組合巖橋的強(qiáng)度相對較高；裂隙卸荷擴(kuò)展具有階段性和突發(fā)性，變形會出現(xiàn)多級突跳現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)展到裂隙貫通時(shí)，位移會出現(xiàn)大幅度的階躍，位移突跳的次數(shù)與新生裂紋的數(shù)量正相關(guān)。卸荷擴(kuò)

6、展裂隙一般帶有一定程度的張性特征，其卸荷擴(kuò)展方式有剪切擴(kuò)展、張拉擴(kuò)展、拉剪復(fù)合擴(kuò)展及冀裂紋擴(kuò)展四種類型，巖橋卸荷破壞可歸納為剪切破壞、張剪復(fù)合破壞和張拉破壞，以張剪復(fù)合破壞為主。 (4)地下洞室開挖卸荷過程中，裂隙面的應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)歷了從壓剪應(yīng)力狀態(tài)逐漸向拉剪應(yīng)力狀態(tài)的變化過程，基于斷裂力學(xué)理論，對壓剪及拉剪切應(yīng)力狀態(tài)下裂隙擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行對比分析，說明卸荷條件下裂隙更容易擴(kuò)展。同時(shí)也探究了裂隙擴(kuò)展過程中分支裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，

7、進(jìn)而確定裂隙擴(kuò)展的長度，首次推導(dǎo)了拉剪應(yīng)力狀態(tài)下裂隙擴(kuò)展過程中分支裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。 (5)基于主廠房施工監(jiān)測，結(jié)合工程地質(zhì)條件分析圍巖的開挖卸荷變形機(jī)理及其穩(wěn)定性。對含斷層圍巖的開挖卸荷穩(wěn)定性進(jìn)行較系統(tǒng)的數(shù)值模擬，提出了以最大應(yīng)力集中系數(shù)、應(yīng)力松馳區(qū)面積、最大變形量、特征部位變形大小和塑性區(qū)面積等量化指標(biāo)評價(jià)斷層分布部位、初始地應(yīng)力場和斷層抗剪強(qiáng)度參數(shù)對圍巖穩(wěn)定性影響的方法，闡述了含斷層圍巖開挖卸荷變形機(jī)理及其穩(wěn)定特征。

8、 (6)根據(jù)塊體理論及工程地質(zhì)分析，總結(jié)了主廠房開挖塊體的失穩(wěn)模式。對不同部位典型塊體數(shù)值模擬分析表明不同部位的塊體二次應(yīng)力場、變形及塑性區(qū)分布特點(diǎn)不同，提出了塊體變形失穩(wěn)演化機(jī)理和局部穩(wěn)定性評價(jià)的量化指標(biāo)，同時(shí)將強(qiáng)度折減法應(yīng)用到主廠房塊體整體穩(wěn)定性評價(jià)中并與極限平衡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，闡述了地應(yīng)力場對塊體穩(wěn)定性的影響和極限平衡計(jì)算中存在的缺陷。 (7)一般彈塑性數(shù)值分析并沒有考慮開挖巖體的卸荷效應(yīng)，利用FLAC軟件