深埋脆性巖石的本構(gòu)模型及開挖破壞區(qū)深度預(yù)測.pdf

1、隨著基礎(chǔ)工程建設(shè)、資源開發(fā)的逐步深部化和核廢料處理的迫切性，深埋地下洞室的開挖破壞區(qū)成為國內(nèi)外學者關(guān)注的熱點問題。本文采用理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測對比驗證的方法，圍繞深埋硬脆性巖石隧道開挖過程中巖石呈現(xiàn)的破壞特征、開挖破壞區(qū)的形成機理、開挖破壞區(qū)數(shù)值模擬和深度預(yù)測方法等一系列問題展開研究。本文首先總結(jié)了脆性巖石在破壞過程中力學特性的演化規(guī)律，然后在理論和已有研究成果的基礎(chǔ)上分析適合描述脆性巖體力學行為的本構(gòu)模型，即彈-脆-塑性（EB

2、P）模型，粘聚力-脆性-摩擦強度（CBF）模型和裂隙初始-劈裂界限（DISL）模型，為數(shù)值模擬提供了模型。
　　借助于有限元軟件 Phase2對加拿大地下實驗室 Mine-by隧道進行開挖模擬。通過與Mine-by試驗隧道開挖破壞區(qū)的監(jiān)測資料進行比對，選擇最有效的脆性模型。對比發(fā)現(xiàn)，選用EBP模型得到的破壞區(qū)范圍角大于觀測值，選用 CBF模型計算得到的破壞區(qū)深度和范圍角均小于監(jiān)測數(shù)據(jù)，而通過DISL模型計算得到的深度和范圍角均與觀

3、測值相當。該結(jié)果初步驗證了DISL模型的優(yōu)越性。在此基礎(chǔ)上，考慮實際開挖面輪廓具有高度不規(guī)則性，因此以光滑圓形和連續(xù)小半圓形分別模擬設(shè)計和實際開挖面輪廓，獲得不同的開挖破壞區(qū)范圍和應(yīng)力狀態(tài)，可見簡化開挖面幾何形狀具有不合理性。由于隧道左右邊墻也產(chǎn)生破壞區(qū)，所以采用漸進開挖法模擬隧道的開挖過程，對比分析開挖模擬方法對破壞區(qū)形狀的影響。結(jié)果表明，以實際斷面輪廓為隧道的開挖邊界，通過DISL模型和漸進開挖法能夠很好地捕獲開挖破壞區(qū)的幾何形狀和

4、范圍。
　　采用經(jīng)上述驗證后的數(shù)值模擬方法對光滑圓形隧洞進行模擬計算，分析開挖面附近圍巖的力學響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)：巖石從高度破壞區(qū)進入破壞區(qū)的標志是：最小主應(yīng)力值開始增長，拉應(yīng)變值達到最大，剪應(yīng)變值急劇減??；破壞區(qū)內(nèi)、外邊界的分區(qū)指標是體積應(yīng)變曲線發(fā)生反轉(zhuǎn)；屈服單元的產(chǎn)生標志著從破壞區(qū)過渡到影響區(qū)；DISL模型能夠很好地刻畫圍巖應(yīng)力路徑，準確描述脆性巖體的力學行為。對于一個給定的工程，上述分區(qū)方法為準確確定破壞區(qū)各區(qū)的尺寸提供了新思路