深部岩体硐室分区破裂化数值试验研究

论文摘要

随着经济建设和国防建设的快速发展,地下空间开发不断向深部延伸。受岩体工程开挖深度的影响,深部硐室围岩的演化规律及破裂机制同浅部岩石有很大的不同,从而产生了很多新的科学现象,分区破裂化现象即是其中一例。分区破裂现象,是指在深部岩体中开挖硐室或巷道时,在其两侧和工作面前的围岩中产生的逐次交替破裂区和未破裂区现象。虽然许多国内外学者都尝试解释这一现象,但目前对其产生的力学机制还没有统一定论。本文在国家自然基金项目(50809012)、国家自然基金重点项目(40638040)、973研究计划项目(2007CB209400)以及国家自然基金国际合作项目(50820125405)资助下,以深部地下硐室围岩的分区破裂现象为研究背景,考虑岩石材料力学性质的非均匀性,利用大规模科学并行计算方法,通过三维岩石破裂过程并行分析系统RFPA3D,对深部地下硐室围岩在不同应力状态、不同洞形、不同硐室间距、不同围岩条件等条件下,分区破裂形成过程进行系统的数值试验研究,研究不同因素对分区破裂规律和机理的影响；并充分发挥数值分析方法的优势,从应力场和声发射分布随破裂过程的演化规律入手,进一步认识分区破裂现象的机理和规律。通过对处在不同状态下的硐室围岩的破坏模式进行了探讨、分析,得出以下几个结论：1.从荷载方向上考虑分区破裂机理,当径向压力与围压比值较高时,随着载荷逐渐增加,出现了分区破裂现象；2.实现了对分区破裂现象从裂纹萌生、扩展到贯通的全过程,对于进一步加深对分区破裂机理和规律的认识具有重要的意义；3.裂缝的演变过程是一个随机过程：有可能形成闭合的圆形破裂区,也可能形成向外部扩展的螺旋形裂纹区；硐室周围的围岩是按照一定的韵律进行破裂,硐室围岩内形成的是多层的类环状破裂区。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 分区破裂现象的研究现状和发展趋势
• 1.2.1 国外学者的一些研究成果
• 1.2.2 国内该领域的研究现状及进展
• 1.3 本文的研究内容和意义
• 1.4 本文的技术路线
• 2 数值实验基本原理及RFPA系统
• 2.1 数值实验研究背景
• 2.2 数值模拟基本原理
• 2.2.1 岩石材料的非均匀性
• 2.2.2 岩石本构关系的细观弹性统计损伤模型
• 3D系统'>2.3 岩石破裂过程分析RFPA^3D系统
• 2.3.1 RFPA基本原理
• 3D分析过程流程图'>2.3.2 RFPA^3D分析过程流程图
• 2.4 试验模型几何尺寸的选取
• 2.5 本章小结
• 3 不同应力比下的硐室围岩破坏模式探讨
• 3.1 岩石硐室围岩的不同破坏模式
• 3.2 破裂分析中的高性能并行科学计算环境
• 3.2.1 高性能计算的必要
• 3.2.2 硬件环境
• 3.2.3 软件环境
• 3.3 不同应力比下的硐室围岩破坏模式探讨
• 3.3.1 小应力比下的破坏模式
• 3.3.2 中等应力比下的破坏模式
• 3.3.3 大应力比下的破坏模式
• 3.4 分区破裂现象机制的初步分析
• 3.5 本章小结
• 4 不同洞形的深部硐室围岩分区破裂机制研究
• 4.1 圆形硐室试验模型介绍
• 4.2 模拟结果与分析讨论
• 4.3 马蹄形硐室试验结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 近距深部平行硐室围岩分区破裂机制研究
• 5.1 数值试验模型介绍
• 5.2 数值试验结果分析
• 5.3 本章小结
• 6 层状岩体深部硐室围岩分区破裂机制研究
• 6.1 数值试验模型介绍
• 6.2 模拟结果与讨论
• 6.3 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢