坚硬裂隙岩体开挖扰动区形成机理研究

论文摘要

为探索边坡开挖扰动区EDZ的研究方法和相关的若干理论问题,本文以三峡船闸高边坡为工程背景,对高边坡开挖扰动区EDZ和工程岩体的力学特性进行了系统研究与分析,主要研究工作与特点表现在以下几个方面:（1）基于三峡船闸边坡开挖扰动区的大规模综合测试和监测成果,对开挖边坡的扰动影响范围和影响程度建立了初步的认识。在此基础上进行边坡开挖扰动区地质成因分析,并基于3DEC直接法建立了中隔墩岩体的三维节理网络模型,采用三维离散单元法3DEC进行了多组卸荷应力路径模拟,研究表明:卸荷条件下岩体变形主要表现为岩体内节理与裂隙特别是陡倾角节理与裂隙的张开变形,在此基础上进行了陡倾角节理裂隙的开裂特征和破坏机理研究。（2）在总结前人进行的三峡花岗岩室内岩石力学试验的基础上、分别利用MTS刚性试验机和RT3岩石高压真三轴压缩仪进行了多种应力路径测试,研究了三峡花岗岩在加荷条件和卸荷条件下的变形特性、破坏形式及破坏后区的应力-应变关系,研究发现:基于实验观察与断裂力学分析,可以认为花岗岩裂纹扩展模式主要表现为拉伸破坏,从起裂至裂纹稳定扩展阶段,其内部裂纹属I型裂纹。起裂应力σci随围压变化幅度不大,与峰值强度相比,起裂应力一般保持在峰值应力的2550%范围内;三峡花岗岩在峰后应变软化过程中,其强度参数c值随广义塑性应变的增大而快速减小,而?值几乎保持不变。（3）针对三峡花岗岩的全过程应力-应变曲线的损伤力学分析,发现脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下均以侧向损伤为主,达到临界破坏时,损伤值稳定在0.70.8左右,说明了裂纹应变在侧向的发展是导致脆性岩石破坏的主要原因。相对来说轴向损伤较小,但轴向损伤演化规律的不同却是造成不同变形破坏形式的主要原因;三峡花岗岩的临界破坏行为可以用侧向变形来表征,且临界侧向应变和侧向损伤规律不受围压和加载路径的影响,由此可以建立基于应变空间的,考虑卸荷应力路径的损伤模型和应变型破坏准则。（4）基于三峡花岗岩的损伤力学模型,采用显示有限差分法,以正交设计、最小二乘支持向量机与粒子群算法相结合建立高效的反演分析方法,对三峡永久船闸高边坡岩体进行三维位移反分析,以损伤模型的力学参数作为基本变量,实现了边坡非线性系统的多参数反演。（5）结合三峡船闸高边坡开挖扰动区的实测成果,在对开挖扰动区形成机理的认识基础上,针对边坡岩体剪切变形和单元安全系数的概念分析建立了开挖扰动区临界准则。进一步基于损伤模型计算得到的不同损伤程度的损伤区综合评价开挖扰动区分布范围及其岩体力学性质。对应实测开挖扰动区的分布范围和形状,可以近似确定开挖损伤区岩体的损伤值约在0.60.8以内,卸荷影响区岩体的损伤值约在0.40.6以内,轻微扰动区岩体的损伤值约在0.20.4以内;由此基于Hoek-Brown经验强度准则,引入开挖弱化因子,结合地质强度指标GSI,进行开挖扰动区岩体力学参数研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的意义
• 1.2 边坡工程研究现状
• 1.3 岩体的卸荷破坏研究现状
• 1.4 开挖扰动区EDZ研究现状
• 1.5 本文主要研究内容及研究目标
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 研究内容
• 1.6 拟采用的研究方法、技术路线
• 第二章 三峡花岗岩加卸载力学特性试验研究
• 2.1 概述
• 2.2 已有试验成果介绍
• 2.2.1 在RMT试验机上进行的试验
• 2.2.2 在MTS试验机上进行的试验
• 2.3 本文试验介绍
• 2.3.1 矿物组成与微观结构
• 2.3.2 常规加载试验
• 2.3.3 保持轴向变形的卸围压试验
• 2.3.4 保持轴向应力的卸围压试验
• 2.3.5 真三轴加卸载试验
• 2.4 本章小结
• 第三章 开挖扰动区综合测试与岩体力学性状研究
• 3.1 概述
• 3.2 开挖扰动区研究方法
• 3.2.1 施工期工程地质调查
• 3.2.2 施工期变形监测
• 3.2.3 岩块力学性质试验研究
• 3.2.4 承压板变形试验
• 3.2.5 钻孔变形试验
• 3.2.6 岩体声波测试
• 3.3 试验成果综合分析与开挖扰动区的划分
• 3.3.1 开挖扰动区的划分原则
• 3.3.2 开挖扰动区EDZ的分布规律
• 3.3.3 开挖扰动区内岩体力学特性的弱化程度
• 3.4 本章小结
• 第四章 开挖扰动区开裂特征研究
• 4.1 概述
• 4.2 开挖扰动区地质成因探讨
• 4.2.1 开挖卸荷是形成岩体开裂的主要力学条件
• 4.2.2 岩体中存在地质结构面是裂缝形成的基础
• 4.3 离散单元法介绍
• 4.3.1 离散单元法基本原理
• 4.3.2 3DEC软件及其功能
• 4.4 岩体的三维节理网络模拟
• 4.4.1 节理统计
• 4.4.2 节理的3DEC处理
• 4.5 节理概化与基本分析条件
• 4.6 岩体变形及开裂特征分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 三峡花岗岩应力应变关系研究
• 5.1 概述
• 5.2 三峡花岗岩峰前力学特性
• 5.2.1 起裂应力
• 5.2.2 起裂机理分析
• 5.2.3 断裂力学分析
• 5.3 三峡花岗岩强度特性
• 5.4 三峡花岗岩峰后力学特性
• 5.5 三峡花岗岩侧向变形特性
• 5.6 三峡花岗岩本构模型研究
• 5.6.1 一般弹塑性本构方程
• 5.6.2 应变软化本构模型
• 5.6.3 弹脆塑性本构模型
• 5.6.4 损伤本构模型
• 5.7 本章小结
• 第六章 基于损伤模型的三维位移反分析
• 6.1 概述
• 6.2 开挖模拟的数值分析方法
• 6.2.1 三维空间离散
• 6.2.2 空间差分
• 6.2.3 节点的运动方程与时间差分
• 6.2.4 本构方程与屈服准则
• 6.3 损伤模型的FLAC3D实现
• 6.3.1 用户本构模块介绍
• 6.3.2 本构模型的程序实现及验证
• 6.4 三峡船闸高边坡三维数值模型
• 6.5 岩体地应力场
• 6.6 三维位移反分析方法
• 6.6.1 正交设计
• 6.6.2 最小二乘支持向量机
• 6.6.3 粒子群算法
• 6.6.4 LSSVM和PSO的位移反分析模型
• 6.7 基于损伤模型的岩体力学参数反演分析
• 6.7.1 计算模型和计算条件
• 6.7.2 监测点布置及开挖分区
• 6.7.3 样本构造
• 6.7.4 反演及计算结果
• 6.8 基于反演结果的正分析
• 6.8.1 开挖变形
• 6.8.2 开挖应力场与拉应力区
• 6.8.3 塑性区
• 6.9 本章小结
• 第七章 开挖扰动区形成机理与预测方法探讨
• 7.1 概述
• 7.2 开挖扰动区形成机理研究
• 7.3 开挖扰动区临界准则
• 7.3.1 应变型临界准则
• 7.3.2 单元安全系数
• 7.4 开挖扰动区预测
• 7.4.1 开挖扰动区的场分析
• 7.4.2 损伤分析
• 7.5 开挖扰动区岩体力学性质综合评价
• 7.5.1 Hoek-Brown经验强度准则
• 7.5.2 力学参数的开挖弱化因子表示
• 7.5.3 开挖扰动区岩体力学参数取值
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文研究总结
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 博士期间的科研成果
• 致谢