大型洞室群地应力测试及基于统一强度理论的稳定性分析

大型洞室群地应力测试及基于统一强度理论的稳定性分析

论文摘要

在地下工程项目中,水电站地下厂房的建设由于其规模庞大、空间组成复杂、洞室间相互影响而关系到整个电站的安全运营和巨大的经济效益。对其设计方法和稳定性分析方法的研究已成为当前地下工程建设中亟待解决和值得深入探讨的重大课题。本文从大型洞室群所处岩体地应力场分布规律及其与地质构造关系、复杂几何体建模、本构关系推演等方面对大型洞室群围岩稳定性展开系统研究,并以辽宁本溪桓仁电站建设为工程背景对地下厂房开挖和支护的稳定性进行分析和探讨。在现场测量和室内实验的基础上得出地应力场分布与区域构造的关系;提出了复杂几何体构形及空间面、体关系运算算法,实现了FLAC3D软件复杂几何体直接建模和地质界面后期插入的功能;通过对厂房区地应力场的分布进行拟合研究获得了多种构造位移影响下的整体应力场分布规律;针对统一强度理论在岩石力学中应用较少和FLAC3D有限差分软件中缺少统一双剪力学模型的情况,推导出了基于统一双剪强度理论的有限差分计算形式,开发了FLAC3D的非关联统一双剪理论的力学模块,并据此开展统一双剪强度理论下的厂房区大型洞室群开挖和支护的稳定性分析。取得的主要成果有:(1)对桓仁电站地下厂房区采用空心包体应变计法进行了地应力测量,并结合室内和现场的实验分析,得到了厂房区地应力大小和方向,经过分析得出该地区地应力分布主要受新华夏系构造控制,最大主应力方向为北北西,大小为5~7MPa的结论;(2)针对FLAC3D模拟软件在复杂几何体建模上的困难,提出了二次切割下的准三维拉伸、四面体子块划分等建模前处理和后处理算法,实现了FLAC3D复杂几何体空间直接构形和地质界面后期插入的功能,扩展了FLAC3D建模功能,为厂房区地应力场拟合及大型洞室群稳定性分析建模进行了准备;(3)根据地应力实测数据和现场地质构造条件、地形地貌特征,对区域地应力场进行了数值模拟分析,以多元线性回归法实现了由点到体的电站地下厂房区地应力场拟合的计算,得到了各个单位构造位移的影响系数。以边界荷载提取法实现了应力边界和位移边界的变换,并以此实现了多种构造位移同时影响下的整体地应力场的模拟,得到了其分布规律并将其作为厂房洞室群稳定性计算中边界条件选取依据;(4)针对FLAC3D缺少统一双剪模型和统一强度理论的强度准则在岩石力学领域应用较少的情况,结合统一强度理论基本原理和有限差分计算迭代原则,推导出统一强度理论的有限差分计算形式。并考虑关联和非关联本构关系在岩土工程中的适用情况,提出了一种适合此理论有限差分计算的非关联流动法则,并开发了FLAC3D中统一双剪强度理论的塑性模块,使统一双剪这一新的塑性理论在有限差分计算中得以实现,也拓展了FLAC3D力学分析的适用性。采用数值模拟的方法对统一双剪力学模块进行检测验证,结果显示此模块很好的体现出了统一强度理论中第二主应力效应这一特点;(5)以统一双剪强度理论为塑性破坏依据,以边界荷载提取法取得模型精确的边界条件,开展了基于统一强度理论的桓仁电站地下厂房洞室群开挖和支护的稳定性分析,得到了洞室群开挖破坏区发展、分布规律和位移变化情况。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 引言
  • 1 绪论
  • 1.1 地应力测量及地应力场拟合研究现状
  • 1.1.1 地应力研究现状
  • 1.1.2 地应力场形成及计算理论
  • 1.1.3 地应力场拟合分析的分类
  • 1.2 岩石破坏理论及本构模型研究现状
  • 1.2.1 岩石破坏理论的发展
  • 1.2.2 岩土本构关系研究现状
  • 1.3 地下洞室稳定性研究现状
  • 1.3.1 地下洞室稳定性分析方法
  • 1.3.2 大型地下洞室研究现状
  • 1.3.3 层状岩体中地下洞室稳定性研究
  • 1.4 数值计算发展
  • 1.4.1 数值计算在岩土中的使用
  • 1.4.2 FLAC3D 软件的应用
  • 1.5 工程背景及问题提出
  • 1.5.1 工程背景
  • 1.5.2 问题提出及研究意义
  • 1.6 论文主要研究内容及技术路线
  • 1.6.1 主要研究内容
  • 1.6.2 技术路线
  • 2 桓仁电站工程地质情况
  • 2.1 区域地质概况
  • 2.1.1 地形地貌
  • 2.1.2 地层岩性
  • 2.1.3 地质构造与地震
  • 2.1.4 水文地质
  • 2.2 库区地质情况
  • 2.2.1 地质概况
  • 2.2.2 厂房区情况
  • 2.2.3 地下厂房地质情况
  • 3 厂房区地应力测量及与区域构造关系研究
  • 3.1 测量原理
  • 3.2 测量步骤
  • 3.3 测点布置
  • 3.4 厂房区地应力测量结果
  • 3.4.1 应力解除试验结果
  • 3.4.2 温度标定试验结果
  • 3.4.3 岩石物理力学性质测试
  • 3.4.4 围压率定试验及最终结果
  • 3.5 厂房区地应力分布规律及其与地质构造关系的研究
  • 3.5.1 实测地应力分布规律
  • 3.5.2 地应力与厂区地质构造间关系
  • 3.6 小结
  • 4 FLAC3D 建模算法研究
  • 4.1 FLAC3D 建模存在的问题
  • 4.2 语言工具概述
  • 4.2.1 Visual Basic 简介
  • 4.2.2 Matlab 简介
  • 4.2.3 MatrixVB
  • 4.3 算法提出及程序编制
  • 4.3.1 计算机图形学与计算几何学的应用
  • 4.3.2 FLAC3D 准三维建模相关算法提出
  • 4.3.3 FLAC3D 三维建模相关算法提出
  • 4.4 小结
  • 5 桓仁电站地下厂房区地应力场拟合
  • 5.1 引言
  • 5.2 拟合计算方法研究
  • 5.3 地应力分布规律的数值模拟研究
  • 5.3.1 地应力场的一般规律
  • 5.3.2 地应力影响因素的模拟分析
  • 5.4 厂房区地应力场的多元线性回归法拟合
  • 5.4.1 地应力场影响因素分析
  • 5.4.2 模型建立
  • 5.4.3 属性及边界条件
  • 5.4.4 影响系数计算及整体应力场的模拟
  • 5.5 小结
  • 6 基于统一强度理论的地下厂房洞室群稳定性分析
  • 6.1 基于有限差分的统一强度理论研究
  • 6.1.1 岩土强度理论研究概况
  • 6.1.2 岩体参数的确定
  • 6.1.3 基于有限差分计算的统一强度理论本构关系推导
  • 6.1.4 FLAC3D 统一双剪模块开发
  • 6.1.5 统一双剪模块的FLAC3D 模拟验证
  • 6.2 地下厂房洞室群稳定性分析
  • 6.2.1 模型建立与参数选取
  • 6.2.2 开挖方案对稳定性影响研究
  • 6.2.3 支护方案效果研究
  • 6.3 小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 在学研究成果
  • 致谢
  • 相关论文文献

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