学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

高地应力下硬岩弹脆塑性劣化本构模型与大型地下洞室群围岩稳定性分析

作　者: 江权
导　师: 冯夏庭
学　校: 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）
专　业: 岩土工程
关键词: 高地应力弹脆塑性模型参数反分析主应力转动消散功地下洞室群围岩稳定性数值仿真
分类号: TU457
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 1109次
引　用: 12次
阅　读: 论文下载

内容摘要

一方面,当前的水电开发、战略石油储备、CO2地下隔离、核废料地下处置等一系列国家战略性深部工程的建设与规划使得高地应力背景下大型地下工程的稳定性分析成为亟待解决的关键技术;另一方面,深部高地应力环境下洞室开挖过程中围岩表现出特殊的非线性力学行为使得传统的岩体(石)力学理论与分析方法面临着新的挑战。为满足国家建设需求和推进学科发展需要,本文围绕深埋高地应力条件下硬岩洞室群稳定性这一主题,以黄河上游拉西瓦水电站大型地下发电厂房洞室群和锦屏二级水电站引水隧洞南侧的深埋辅助洞为工程研究背景,在继承现有大型地下工程研究成果基础上,系统地从硬岩本构模型、围岩变形与破坏模式的评价指标、准确的岩体力学参数辨识方法、数值仿真技术的工程实践步骤共四方面形成了一个较完整的深部洞室群围岩稳定性分析方法。概括之,本文主要研究工作与获得的有益认识如下:1.针对传统的弹塑性本构模型在模拟高地应力下硬岩脆性破损的范围和深度方面不理想的问题,提出一种基于岩体力学参数随围岩塑性应变发生动态变化的硬岩劣化本构模型(Rock Deterioration Model,RDM),从而实现了对高地应力下地下工程中硬脆性围岩破损的准确模拟。同时,深入论述了模型的数值计算实现方法、后继屈服面非定常性、塑性区二次划分、模型可蜕化性等特点。室内花岗岩三轴压缩试验曲线拟合和锦屏二级水电站大水沟厂房探洞松动圈(EDZ)的模拟等工程实例验证分析有力地表明该模型可以较好地刻画高应力下硬岩的脆性破损和EDZ内岩体力学参数劣化的现象。2.考虑到洞室开挖后,岩体中主应力在开挖前后发生了大小变化和方向转动的这一应力重分布过程的矢量变化特点,提出了应力松弛系数用以描述平均主应力大小的改变程度,评价围岩的应力松弛范围;提出了主应力转动消散功用以描述主应力大小和方向同时改变的程度,评价洞室围岩破损的时间演化过程和易失稳部位的空间分布特征;并结合岩体内形状改变比能和体积改变比能等指标分析和总结了洞室连续开挖过程中围岩应力、能量、主应力转动消散功调整较剧烈的时段特点和空间分布特征。锦屏二级引水隧洞辅助洞K14～K15段实际开挖过程中岩爆发生的空间位置、岩爆活跃期、大型岩爆发生部位等多方面统计结果分析表明了上述评价指标具有实用性。3.为解决数值仿真计算时参数给不准的难题,提出了同时结合位移增量和实测松动圈两种量测信息,由参数敏感性分析→参数智能反演→反演结果检验三步构成的集成的参数反演分析方法。该集成分析方法较全面地考虑到了不同参数对围岩变形与屈服的敏感程度的差异性、参数辨识的全局搜索能力和反演参数的多角度检验等反分析的基本问题。4.鉴于人们对客观事物的感知是一个渐进式螺旋上升的过程,从认识论的角度出发,提出了大型地下洞室群围岩稳定性数值仿真技术工程应用的PFP(Preparation–Feedback–Prediction, PFP)分析方法,即结合地下工程施工的不同阶段,由第一阶段的工程预研究、第二阶段的前期反馈研究、第三阶段的后期预测研究构成。该方法充分利用了洞群分期开挖过程中信息量不断增多的特点,结合了数值仿真分析的优势,实现了实践到认识、认识再到实践的转化。5.将上述研究成果应用于拉西瓦水电站地下洞室群围岩稳定性研究,系统地从应力场、位移场、弹性应变势能、应力转动消散功和塑性区分布几方面综合分析和揭示了高地应力下洞室群开挖过程中岩体力学行为特点,并在前期反馈分析基础上预测了洞室后续开挖的围岩变形规律和可能的破坏模式与空间部位。同时,其研究成果也较好地应用于该工程的生产建设中。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-24
  1.1 选题依据和研究意义  12-15
  1.2 国内外研究现状  15-21
    1.2.1 深部高地应力岩体力学特性研究进展  15-16
    1.2.2 岩石类工程介质本构模型研究综述  16-18
    1.2.3 围岩稳定性评价指标  18-19
    1.2.4 岩土力学参数辨识研究概况  19-20
    1.2.5 大型地下洞室数值仿真研究概况  20-21
  1.3 有待进一步研究的问题  21-22
  1.4 本文主要研究工作及总体思路  22-24
第二章高地应力下硬岩弹脆塑性劣化本构模型研究  24-46
  2.1 引言  24-25
  2.2 岩体脆性破坏与弹脆塑性模型  25-27
    2.2.1 岩体脆性破坏特征  25-26
    2.2.2 弹脆塑性模型  26-27
  2.3 硬岩劣化本构模型  27-40
    2.3.1 模型参数变化特征  27-30
    2.3.2 RDM 模型本构方程  30-34
    2.3.3 RDM 模型特征分析  34-40
  2.4 劣化模型实例验证  40-45
    2.4.1 室内三轴试验验证  40-41
    2.4.2 拉西瓦现场试验洞松动圈对比  41-42
    2.4.3 锦屏二级电站厂房探洞声波探测验证  42-45
  2.5 本章小结  45-46
第三章开挖扰动下围岩应力及能量演化  46-69
  3.1 引言  46-47
  3.2 二次应力场的表述方法  47-52
    3.2.1 一点应力状态描述  47-48
    3.2.2 应力松弛系数  48-49
    3.2.3 应力方向演化的主应力转动消散功描述  49-51
    3.2.4 开挖扰动下围岩弹性应变比能描述  51-52
  3.3 锦屏二级水电站深埋辅助洞开挖过程中的应力重分布分析  52-68
    3.3.1 锦屏工程简介  52-55
    3.3.2 辅助洞连续开挖过程中围岩应力的大小与方向演化  55-60
    3.3.3 连续开挖过程中主应力转动消散功演化  60-63
    3.3.4 连续开挖过程中围岩弹性比能演化  63-66
    3.3.5 辅助洞开挖过程中工程现象对照分析  66-68
  3.4 本章小结  68-69
第四章基于位移增量和松动圈的岩体参数集成反分析  69-90
  4.1 引言  69-70
  4.2 参数智能反分析基本理论  70-75
    4.2.1 岩体参数的敏感性分辨方法  70
    4.2.2 遗传算法－神经网络的参数搜索方法  70-73
    4.2.3 灰色关联度检验分析方法  73-74
    4.2.4 大型地下洞室群围岩参数反演集成分析方法  74-75
  4.3 拉西瓦水电站地下洞群围岩参数智能反分析  75-89
    4.3.1 拉西瓦水电站工程简介  75-77
    4.3.2 洞室群围岩参数敏感性分析  77-80
    4.3.3 增量位移与松动圈数据提取  80-81
    4.3.4 参数反演  81-85
    4.3.5 反演结果检验  85-89
  4.4 本章小结  89-90
第五章高地应力下拉西瓦地下洞室群岩体力学行为研究  90-130
  5.1 引言  90-91
  5.2 地下洞群稳定性数值仿真分析PFP 方法  91-92
    5.2.1 基于认识论的PFP 方法基本原理  91
    5.2.2 PFP 法阶段分析主要内容  91-92
  5.3 拉西瓦地下洞室群工程前期研究及反馈改进  92-101
    5.3.1 拉西瓦厂房工程特点及类比分析  92-95
    5.3.2 洞群三维数值计算基础  95-98
    5.3.3 洞室群前期开挖数值仿真分析  98-100
    5.3.4 反馈改进措施  100-101
  5.4 洞室群围岩力学行为分析及后续开挖稳定性预测  101-121
    5.4.1 洞周应力场演化过程与特点  101-108
    5.4.2 围岩能量场与主应力旋转消散功演化分析  108-112
    5.4.3 洞周位移场演化过程与特点  112-117
    5.4.4 围岩塑性区演化过程与空间分布  117-120
    5.4.5 围岩稳定性总体评价与预测  120-121
  5.5 后续开挖工程检验与成果应用  121-128
    5.5.1 岩爆与围岩掉块破坏  121-126
    5.5.2 围岩与砼张拉开裂破坏  126-127
    5.5.3 围岩垮塌破坏  127-128
  5.6 本章小结  128-130
第六章结论与展望  130-132
参考文献  132-144
攻读博士学位期间参与的科研项目与发表论文  144-146
致谢  146-147

高地应力下硬岩弹脆塑性劣化本构模型与大型地下洞室群围岩稳定性分析

内容摘要

全文目录

相似论文