（岩土工程专业论文）高地应力脆性岩体张开位移发生机理研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名孟旺垫华一一日期：j 望丝金翠一 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趣塾举导师签名： 日期：扯心7 目录 摘要i a 】b s t r a c t i i i 第一章绪论一1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 国内外的研究现状及发展趋势2 1 3 本文的研究内容和研究方法9 第二章岩体劈裂张开特征及破坏判据研究1 0 2 1 引言1 0 2 2 劈裂现象1 1 2 2 1 主厂房边墙裂缝1 1 2 2 2 母线洞环向裂缝l3 2 2 3 岩锚梁裂缝1 4 2 3 劈裂裂缝产生原因分析15 2 3 1 裂纹扩展理论1 5 2 3 2 裂纹开裂数值模拟1 6 2 4 岩体劈裂破坏判据研究2 0 第三章基于能量耗散角度的裂纹张开位移研究2 3 3 1 引言2 3 3 2 裂纹扩展的能量变化2 3 3 3 考虑能量耗散作用的变弹模2 5 3 3 1 弹性模型下的变弹模2 5 3 3 2 单元能量的计算2 6 3 3 3 加卸载判据2 7 3 3 4 弹脆性模型下的变弹模2 8 3 4c + + 环境下的f l a c 3 d 计算模型的二次开发3 l 3 4 1f l a c 3 d 程序以及其开发环境简介3 1 3 4 2f l a c 3 d 中本构模型的运行原理。3 2 3 4 3 考虑能量耗散作用的本构方程3 3 3 4 4 程序实现流程3 4 第四章工程应用实例。3 5 4 1 工程背景3 5 4 2 二维数值计算模型及计算相关参数3 6 4 2 1 计算范围和边界条件3 6 4 2 2 开挖顺序3 8 4 3 二维计算结果分析3 8 4 3 1f l a c 3 d 自带模型的计算结果3 9 4 3 2 考虑能量耗散作用弹性模型的计算结果4 6 4 3 3 考虑能量耗散作用弹脆性模型的计算结果5 3 4 3 4 按张开位移预测公式得出的结果5 9 4 3 5 二维计算结果总结。6 0 4 4 全三维计算分析6 3 4 4 1 全三维机组模型6 3 4 4 2 全三维机组模型计算结果6 4 4 4 3 全三维计算结果云图7 4 4 5 小结8 0 第五章结论与展望8 2 5 1 结论8 2 5 2 展望8 3 参考文献8 4 c o n t e n t s e n g l i s ha b s t r a c t i i i c h a p t e r1 p r e f a c e 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2t h er e s e a r c ha d v a n c ea n dt r e n da n a l y s i s 2 1 3r e s e a r c hc o n t e n t sa n dm e t h o d s 9 c h a p t e r2a n a l y s i so fo p e n i n gd i s p l a c e m e n ta n d f a i l u r ec r i t e r i o n 10 2 1i n t r o d u c t i o n 10 2 2 p h e n o m e n o no fs p l i t t i n gf a i l u r e 11 2 2 1s p l i t t i n gf a i l u r eo fw a l l si nt h em a i np o w e r h o u s e 11 2 2 2s p l i t t i n gf a i l u r eo f b u st u n n e l 1 3 2 2 3s p l i t t i n gf a i l u r eo f r o c ka n c h o rb e a m 1 4 2 3c a u s e so f c r a c k 11 ； 2 3 1t h e o r yo fc r a c kp r o p a g a t i o n 15 2 3 2s i m u l a t i o no f c r a c kp r o p a g a t i o n 1 6 2 4c r i t e r i o no fs p l i t t i n gf a i l u r e 2 0 c h a p t e r3o p e n i n gd i s p l a c e m e n tc o n s i d e r i n gd i s s i p a t i o ne n e r g y 2 3 ：；1i n t r o d u c t i o n ：! ：； 3 2e n e r g yc h a g e so f c r a c kp r o p a g a t i o n 2 3 3 3v a r i a b l ee l a s t i cm o d u l u s 2 5 3 3 1v 撕a b l ee l a s t i cm o d u l u so f e l a s t i cm o d e l 2 5 3 3 2c a l c u l a t i o no f t h ee n e r g y 2 6 3 3 3l o a d i n g u n l o a d i n gc r i t e r i o n 2 7 3 3 4v a i l a b l ee l a s t i cm o d u l u so f e l a s t i c b r i t t l em o d e l 2 8 3 4s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f f l a c 3 dm o d e lu n d e rc + + 31 3 4 1i n t r o d u c t i o no f f l a c 3 dp r o g r a ma n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 3 1 3 4 2o p e r a t i o np r i n c i p l eo f f l a c 3 d sc o s t i t u t i v em o d e l 3 2 3 4 3c o s t i t u t i v ee q u a t i o no f d i s s i p a t i o ne n e r g ym o d e l 3 3 3 4 4p r o c e s so f t h ep r o g r a m 3 4 c h a p t e r4p r o j e c ta p p l i c a t i o n 3 5 4 1b a c k g r o u n do f p r o j e c t 3 5 4 2m o d e lo f 2 da n dr e l a t e dp a r a m e t e r s 3 6 4 2 1c a l c u l m i o nr a n g ea n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 3 6 4 2 2e x c a v a t i o ns e q u e n c e 3 8 4 3r e s u l t so f 2 d 3 8 4 3 1r e s u l t so ff l a c 3 d so w nm o d e l 3 9 4 3 2r e s u l t so fe l a s t i cd i s s i p a t i o ne n e r g ym o d e l 4 6 4 3 3r e s u l t so fe l a s t i c - b r i t t l ed i s s i p a t i o ne n e r g ym o d e l 5 3 4 3 4r e s u l t so f t h ed i s p l a c e m e n tf o r m u l a t i o n 5 9 4 3 5c o n c l u s i o n so f 2 dm o d e l 6 0 4 4a n a l y s i so f f u l l3 d 6 ：； 4 4 1m o d e lo f3 d 6 3 4 4 2r e s u l t so f3 d 6 4 4 4 3c o n t o u r so f 3 d 。7 4 4 5c o n c l u s i o n s 8 0 c h a p t e r5 c o n c l u s i o n sa n de x p e c t a t i o n 8 2 5 1c o n c l u s i o n s 8 2 5 2e x p e c t a t i o n 8 3 r e f e r e n c e s 8 4 山东大学硕士学位论文 摘要 高地应力大型地下洞室群的稳定性问题一直都是众多岩石力学工作者的关 注热点。本文从张开位移的产生机理方面出发，研究了高地应力脆性岩体的典型 应力应变关系，同时结合能量耗散的原理，对高地应力脆性岩体能量耗散本构方 程及其工程应用做了初步的探讨。 第一，首先针对大型地下洞室群特殊的高地应力条件以及脆性岩体的变形特 征，从应力应变关系曲线出发，得出适用于高地应力脆性岩体的弹脆性本构方程。 并利用简单试件进行试算验证。同时，从能量耗散的角度出发引出了加卸荷作用 时的变弹模模型，并将该理论应用到弹脆性本构方程中。最后，从经典的裂纹扩 展理论出发，求解耗散能量，进而得出考虑能量耗散作用的变弹模弹脆性模型。 第二，利用f l a c 3 d 软件的二次开发功能，在c + + 的环境下进行上述模型 程序模块的编写工作，实现模型的二次开发，并阐述了该程序的具体运行原理及 过程。 第三，运用开发的考虑能量耗散作用的弹脆性模型，以锦屏一级大型地下洞 室群为工程背景，进行实际工程的开挖模拟计算。同时，还进行了f l a c 3 d 自 带的弹性模型、弹塑性模型的计算工作。将各种模型的计算结果以及前人的位移 预测结果进行对比分析，从结果上来看该模型基本合理，具有一定的可行性。 第四，根据计算结果，对该大型地下洞室群的开挖变形以及长期稳定性进 行评价，同时提出合理的工程指导建议。 关键词：高地应力；脆性岩体；能量耗散；f l a c 3 d ；二次开发；弹脆性本构方 程； 山东大学硕士学位论文 i i f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lh i g hg e o s t r e s so fl a r g eu n d e r g r o u n dc a v e r n sa n d t h ed e f o r m a t i o nf e a t u r e so fb r i t t l er o c k m a s s t h ee l a s t i c b r i t t l ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o ni s d e d u c e df r o ms t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p as i m p l es a m p l ei sc a l c u l a t e di no r d e rt o v a l i d a t ei t b e s i d e st h i so n e ，av a r i a t i o n a l m o d u l u sm o d e lh a sb e e nr e c e i v e dd u r i n gt h e u n l o a dc o u r s ef r o mt h ep o i n to fd i s s i p a t i o no fe n e r g ya n dt h i sa s p e c ti sc o n s i d e r e di n t h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o n a tl a s t ，d i s s i p a t i o no fe n e r g yc a nb eg a i n e df r o mt h et h e o r y o fc r a c kg r o w t h s e c o n d ，t a k i n ga d v a n t a g eo ff l a c 3 d ，w e c o m p i l e t h ea b o v ec o n s t i t u t i v e e q u a t i o nm o d e lo nt h em i c r o s o f tv i s u a lc + + e n v i r o n m e n t a n dr e a l i z et h es e c o n d a r y f u r t h e rd e v e l o p m e n to ff l a c 3 d t h eo p e r a t i o np r o c e s so ft h i sp r o g r a mi sa l s o d e s c r i b e dd e t a i l e d l y t h i r d ，t h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ka n dt h ee x c a v a t i o ns t e pi nt h el a r g e u n d e r g r o u n dc a v e r n so fj i n p i n gh y d r o p o w e r s t a t i o ni ss i m u l a t e db yu s i n gt h i s d e v e l o p e dp r o g r a m t h ee l a s t i ca n dp l a s t i cr e s u l ta r ea l s oc a l c u l a t e dt om a k ea c o n t r a s t b e t w e e nd i f f e r e n tc o n s t i t u t i v em o d e l s a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a t i v er e s u l t s ，t h em o d e l i sb a s i c a l l yr e a s o n a b l e f i n a l l y , s o m er a t i o n a ls u g g e s t i o n sa r ep u tf o r w a r df o rt h el o n g t e r md e f o r m a t i o n a n ds t a b i l i t yo fl a r g eu n d e r g r o u n dc a v e r n s k e y w o r d s ：h i 曲g e o s t r e s s ；b r i t t l er o c k m a s s ；f l a c 3 d ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ； e l a s t i c - b r i t t l ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o n i i i 山东大学硕士学位论文 i v 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 二十一世纪以来，随着我国经济建设的快速发展以及西部大开发战略的大力 推进，大型的水利水电设施以及公路、铁路等交通设施进入规划和施工阶段。此 外，由于水能资源是可再生资源，在国民经济发展中占重要地位，并且，我国水 能资源丰富。从2 0 0 9 年4 月2 0 日的第二届水力发电技术国际会议获悉，截至 0 8 年底，我国水电装机容量达到1 7 2 亿千瓦，水电能源开发利用率已达到2 7 。 因此，在我国越来越多的大型水利水电工程进入施工阶段。 在水电建设的高峰时期，如何正确处理好水电建设中的安全稳定是当前水电 建设必须高度重视的问题。据统计，全国已建和在建的大中型水电站如下图所示。 其中，大型地下水电站厂房由于开挖范围广，埋深大，建设成本高等原因，其安 全稳定性要求较高。 万事一 ，_ 咙 ；0 尹蕊誊 图1 1 我国大中型水电站分布图 由于地下洞室群多处在高地应力的地质环境中，因此，对于大部分工程的地 l 山东大学硕士学位论文 下洞室群来说，岩体的高地应力特性明显。易发生岩爆、剥落、劈裂、失稳等工 程灾害【lj 。如二滩工程，虽然其围岩为完整性较好的正长岩、辉长岩，但是，在 施工过程中仍出现了不同程度的劈裂、剥落现象，特别是在洞室周边的应力集中 部位。在地下洞室群的开挖过程中，岩石板裂、剥落掉块、混凝土喷层开裂、脱 空以及部分锚索失效等现象 2 1 比较普遍，尤其是在高地应力区域。围岩的破坏非 常剧烈，甚至发生岩爆。这种在地下厂房的开挖过程中，施工开挖引起的地应力 释放和重新分布，使得厂房边墙部位产生裂缝及引起裂缝张开扩展，在其周边就 形成较大的破裂区【3 】。由裂缝及裂缝张开扩展所引起的变形就是所谓的空腔变 形，即，张开位移。 大量的现场实测数据表明，不少地下厂房的开挖过程中都会产生劈裂裂缝及 其扩展现象，且裂缝张开和扩展所引起的变形量在实测位移值中占有较大比重。 在国外，文献【4 】中对1 6 个日本大型洞室进行的研究表明，洞周一倍宽度的范围 内，在火成岩和沉积岩中往往都存在显著的空腔性应变，并且，该应变在总应变 中占了相当大的比例。如下表所示( 在火成岩中，空腔性应变占到总应变的6 5 ， 在沉积岩中则可占到2 3 之多) ；在国内，彭琦在文献【5 中进行的地下厂房围岩 变形特征分析，以施工期变形监测资料为基础，结合地质和施工资料，对地下厂 房的围岩变形特征及其机制进行分析。得出围岩的变形主要由控制性结构面的 “张开位移”构成，占全部变形的8 4 9 2 。 表1 1日本1 6 个大型地下洞室张开位移的监测结果 岩石总位移 空腔( 张开) 位移 百分比 火成岩( 花岗闪绿岩) 3 7 m m2 4 m m6 5 堆积岩( 砂岩、页岩)2 0 m m4 5 m m2 3 因此，研究高地应力脆性岩体在开挖过程中裂隙张开和扩展所产生的张开位 移，有助于更加精确地分析研究开挖引起的洞周围岩变形，对分析地下洞室群的 稳定性有着十分重要的意义。 1 2 国内外的研究现状及发展趋势 在实际工程中，岩体作为一种非连续性介质，其内部存在大量的结构面，如 节理、裂隙、断层等，其工程状况十分复杂。而对于大型水电站地下洞室群来说， 2 山东大学硕士学位论文 工过程中的稳定性分析更加复杂。冷先伦，盛谦， 水电工程地下洞室群结构分析问题的几个主要特 点： ( 1 ) 地质条件和地质构造的复杂性( 三维空间的非均质性、不连续性，存在软 弱夹层、断层、裂隙及层间错动带) ； ( 2 ) 具有预应力“结构”特性( 存在以压为主的地应力，在开挖时引起卸荷或 加载) ； ( 3 ) 岩体的强度和变形特征未知，特别是“峰值后的性质至关重要； ( 4 ) 具有可变性和不确定性。 在实际的工程施工过程中，开挖会引起围岩的应力释放，使得洞室周边产生 变形。而这种围岩的变形主要可分为连续变形和不连续变形两部分，其中结构面 张开所引起的不连续变形( 空腔位移) 占有较大比重，是不可忽略的一部分。 因此，本文从以下几个方面对国内外的研究历史和最新研究进展进行了论 述。 幻高地应力条件下岩体的变形特征 人类对空间的需求随着社会经济的发展而不断增多，这就导致了地下工程逐 渐向深部发展。因此，深部岩体所产生的高地应力问题【7 1 就变得日渐重要。高地 应力对地下洞室群开挖稳定性以及运营的安全性起着至关重要的作用，已经引起 了国内外众多学者的关注。但是，由于岩体自身的复杂性以及其所赋存的地质力 学环境条件的迥异，至今还没有统一的高地应力概念。迄今，有关高地应力的判 别方法有多种，这些方法从不同的角度给出的高地应力的相关定义。例如： 夺按地应力的绝对大小进行划分。该方法认为工程中最大主应力达到 2 0 3 0 m p a 的硬质岩体处于高地应力状态【8 1 。 按岩石单轴抗压强度( 心) 与最大主应力( 仃，) 的比值r b a ，( 即，岩石 强度的应力比) 来划分岩体所处地应力的级别【9 】。这种方法在不同国家有不同的标 准。在我国，工程岩体分级标准( g b 5 0 2 1 8 - 9 4 ) 中规定：当r h a l 2 时，为高地应力。 在已有的高地应力概念基础之上，随着地下空间的不断开发以及煤矿的深部 开采，人们也逐渐认识到了深部岩体所特有的高地应力现象。例如，岩爆、顶板 垮塌、边墙剥落等工程灾害。这种与浅部岩体截然不同的深部岩体所有的独特的 高地应力现象，即所谓的高地应力区岩体的变形特性【1 2 】。 首先，陶振宇【l3 】提出了高地应力区脆性岩体发生的岩爆现象及岩爆发生的判 别准则； 陈梦德【1 4 】提出高地应力地区岩体应力释放的三种形式：第一种为瞬时激烈的 释放，典型的有岩爆、饼状岩芯、葱皮状剥落等；第二种为较缓慢的变形，即， 随着洞室的开挖，洞室周围的应力逐步调整，产生收敛变形并逐渐趋于稳定；第 三种为待“激发”的变形，即，平洞开挖后应力并未得到释放或调整，而是被暂 时“冻结 在岩体里，只有受n 步 i - 界因素“激发 时，才被释放出来，并导致岩 体变形。 孙广忠【l5 】曾提出了高地应力区的6 大标志特征：围岩产生岩爆、剥离；收敛 变形大；软弱夹层挤出；饼状岩芯；水下开挖无渗水；开挖过程有瓦斯突出。 张志良、徐志英【16 】等对高地应力区地下洞室围岩稳定和变形特性进行了总 结，指出：( 1 ) 饼状岩芯、岩爆、塑性挤出、错动台阶等都与高地应力密切相关； ( 2 ) 高地应力区岩体的应力应变关系主要为上弯型；( 3 ) 显微镜下，可以看到 岩块中发育着密集的微裂隙。同时指出由于高地应力作用，岩体中的结构面是紧 密闭合的。其中，有部分已经处于一种屈服或微破坏状态。在一定外力的作用下， 例如，开挖卸荷，岩石就会松散裂开；( 4 ) 高地应力区岩石一旦破坏，不是形成 明显的破坏面，而是碎散成块度大小均匀的一堆碎块等。 刘世煌【l7 j 通过搜集二滩、鲁布革、白山等高地应力地区水电站地下厂房围岩 稳定计算、模型试验及现场观测资料，得出：高地应力地区洞群间围岩存在着巨 4 厂二东大学硕士 l = = = = i 一 蔡德文【1 8 1 在二滩地下厂房围岩的变形特 位论文 征研究中指出：厂房围岩的实测变形 值在很多部位远远大于预计值。并且，通过分析指出产生此种现象的原因是由于 在围岩表面一定的范围内产生了应力松弛区。 江权【1 9 】在大型地下洞室群的稳定性分析中利用f l a c 3 d 软件模拟开挖施工 过程，指出：在厂房开挖初期，围岩发生了多起小规模的岩爆及葱皮剥落等脆性 破坏现象，高应力特征明显；通过对实测以及模拟数据的分析得出不同部位围岩 位移具有明显的空间差异性和时间渐变性；同时，多洞室交叉现象使得围岩松弛 区域具有一定的特殊性；此外，还指出数值计算的位移值比实测位移偏小。 此外，希腊的ge e x a d a k t y l o s 和c e t s o u t r e l i s 提出了开挖后，脆性岩柱 间会形成椭圆形的劈裂破损区【2 0 1 。 从以上有关高地应力岩体变形特性的研究方面可以看出：大多数的研究都提 出了高地应力下岩体变形的特殊性，存在脆性开裂现象，甚至是岩爆。并且部分 学者通过总结得出现场的实测变形值在很多部位远远大于预计值或数值计算位 移值，提出了围岩表层一定范围内产生了应力松弛区，但是未做进一步的深入研 究。 b ) 位移预测方法 由于张开位移属于地下洞室围岩的裂隙扩展张开所产生的，因此，以下将从 断裂力学中裂纹张开位移计算方法和工程中地下洞室围岩的位移预测方法两方 面进行概述。 首先，在断裂力学中裂纹张开位移计算方法方面： 众所周知，断裂力学认为材料或结构是有缺陷的，这些内部缺陷引起应力集 中从而导致断裂破坏。g r i f f i t h 在1 9 2 0 年就已提出了含裂纹体的应变能释放率的 裂纹失稳扩展准则。不久，i r w i n 提出应力强度因子的概念，将裂纹扩展的临界 条件设为：k ，= k m ，其中，k 盯为材料的临界应力强度因子。韦尔斯( w e l l s ) ( 1 9 6 3 年) 提出以裂纹张开位移为参量的裂纹失稳扩展判别方法。1 9 6 8 年，赖斯( r i c e ) 提出了含裂纹体j 积分的概念，建立，：j 肛的断裂准则。 在断裂力学中，所谓裂纹尖端张开位移是指当裂纹体受力后，在原裂纹尖端 沿垂直裂纹方向所产生的位移( c r a c k i n go p e n i n gd i s p l a c e m e n t ) 。从以往学者的 山东大学硕士学位论文 研究中可以看出：g r i f f i t h 裂纹顶端张开位移的计算方法主要有解析法、数值法 和实验测试方法等。其中，解析方法通常有位错理论法【2 l 】，卡氏定理法【2 2 】、权 函数法【2 3 】和复变函数法【2 4 】等。 位错理论最早用于解释晶体理论强度与实际强度之间存在巨大差别的原因， 该理论认为实际的晶体中存在一种叫做“位错”缺陷。在断裂力学方面，g r i f f i t h 理论认为玻璃等材料中存在微小裂纹，受力时裂纹附近产生应力集中，达到一定 程度时，裂纹扩展而发生断裂。而位错理论认为：在晶体材料中不一定要求存在 微小裂纹，仅要求存在适当的位错，受力时由位错运动而产生微裂纹，并可能导 致断裂破坏。 卡氏定理是描述变形能与位移之间关系的一个重要定理，认为线弹性体的变 形能对某一荷载的偏导数，等于荷载作用点( 或截面) 沿荷载方向的位移。因此， 利用该定理可知：应变能对作用在裂纹各个方向的应力的偏导数就等于裂纹在该 点的张开位移。将该定理应用于断裂力学中的m d 模型，就可得到无限板的张 开位移公式。 权函数法是利用应力强度因子与能量释放率之间的关系。认为含裂纹体都存 在一个唯一的与之对应的权函数，权函数与载荷和应力强度因子之间存在某种关 系。 复变函数法：复变函数法也称保角变换法，是一种利用复变函数中解析函数 的特有性质，来求解二维场的方法。在文献 2 4 】中详细介绍了利用复变函数法来 求解裂纹张开位移的过程。 上述解析方法推导公式比较复杂，推导过程比较繁琐，而且只能求解少数的 简单问题。其工程适用性较差，有很大的局限性。此外，通过实验室的断裂力学 实验可以进行裂纹张开位移的测试，如直接观察法、蚀刻条纹法等。 其次，在地下洞室围岩的位移预测方法方面： 目前，研究围岩变形位移的方法主要有连续体力学方法、等效连续体模型方 法、非连续体力学方法、现场测试及围岩松动区理论等。有学者曾归纳出对这种 不连续面纵横交错的岩体的分析方法大致有3 种2 5 之6 】：( 1 ) 用等效连续体来替代 岩体中的不连续断层、弱面等的等效方法；( 2 ) 用特定的节理( 如节理单元) 来 模拟岩体中的不连续体；( 3 ) 研究微裂纹的连续发展而导致的剪切带的形成及其 6 东大学硕士学位论文 积累过程。 连续体力学研究方法【2 7 】：连续体力学研究方法包括古典自重理论、弹塑性理 论、黏弹塑性理论、松散体支护理论以及近年来出现的一些新的分析模型。孙钧 【2 8 之9 1 等众多学者采用物理模拟和数值模拟方法，来分析解释围岩变形破坏。后来， 伴随着计算机的应用发展起来了数值分析方法，出现了有限元、边界元、反演分 析等。如朱维f 3 0 j 等提出了大型洞室群高边墙位移预测和围岩稳定性判别方法。 文中以二滩地下厂房群的结构形式为主要背景，经过大量的数值分析算例，拟合 出一个可预测地下厂房高边墙关键点位移的推算式。 u 印= h a 0 0 0 0 缸h e ) 2 + b ( i o o o k ) , h e ) + c 】l o 。3 ( 1 1 ) 式中：h 为主厂房高度( m ) ；七为水平向地应力侧压系数； ，为岩体容重( n m 3 ) ； 日为洞室下埋深( 计至主洞底板) ( m ) ；e 为围岩变形模量( p a ) 。口，b ，c 分别为与 洞室群几何结构形式和特征相关的回归系数。 由于研究问题的难度，连续力学方法的研究结果不能很好的揭示岩体变形的 物理力学本质，在本构模型方面也存在着许多与实际工程情况不符的结果。因此， 在连续介质力学基础上建立起来的经典方法有很大的局限性，并且有关张开位移 量值大小仍未给出明确定义。 等效连续体模型方法：等效连续体模型方法包括能量等效法、变形等效法、 材料参数等效法以及复合体等效法等。其大体思路是：在考虑岩体本构模型时， 根据一定的等效原则，笼统地考虑“节理”、“裂隙”等对岩体力学特性的影响， 将整个节理岩体均匀化、连续化。该方法的实质是将工程中规则的非连续节理岩 体看作是由各向同性的岩石单元与等效各向异性的节理岩石单元构成的统一体。 即，将破坏单元的非连续性等效为均质连续体，从而得出一套等效本构关系，然 后再利用数值分析得出整个岩体的力学性质，该种等效多以弹性模型为主。朱维 申提出了节理单元集合体的等效连续模型，并且在文献【3 1 】中提出了松弛开裂区 的近似等效模拟方法。邓建辉，葛修润，李焯芬旧将开挖松动区作为一种弱化的 材料模拟岩体的宏观变形行为，进行岩石边坡松动区与位移反分析。 等效连续体模型方法虽然在一定程度上考虑了节理等的非连续变形的影响， 但是由于采用的是等效的方法，与实际工程仍有一定差距。 非连续体力学方法：主要包括离散单元法、刚弹元法和块体力学等。非连续 7 山东大学硕士学位论文 体力学方法虽然可以考虑张开位移等非连续的变形，且解决了一些实际工程问 题。但是，由于其发展尚未成熟，迄今未看到有关对高地应力区脆性岩体张开位 移的研究。邬爱清 3 3 1 应用非连续变形分析方法d d a 对复杂地质条件下地下厂房 围岩的变形与破坏特征开展了研究，指出岩体的结构条件以及结构面强度参数对 洞室围岩变形与破坏具有显著的影响。并且指出工程中围岩的破坏形式主要表现 为：局部块体的崩落所引起的破坏。 现场测试：近年来，国内外一些学者加强了现场方面的测试工作。根据实测 的现场洞室位移量随时间变化的规律，反算出岩石的力学参数和初始应力。同时， 利用统计数学方法( 例如采用灰色系统模型【3 4 】、时间序列模型【3 5 1 、人工神经网 络模型【3 6 】等软科学的方法) 对地下工程进行位移预测研究，取得了不少成果。该 方法以位移测试为主，并结合相应工程状态和以往工程经验分析，方法较简便快 速，能及时给予工程施工指导。由于位移能较好的反映岩体在各因素作用下的总 的表现效应，因而现场测试方法在地下工程中得到了比较广泛的应用。不过该方 法的应用范围一般限于位移反分析范畴。 围岩松动圈理论：1 9 7 9 年，董方庭【3 7 墩授等从研究巷道开挖后的围岩状态 入手，通过大量现场实测、实验室相似模拟试验和大量的工程验证，提出了围岩 松动圈理论。指出在围岩的破裂过程中，剪胀变形或剪胀力是主要的支护对象， 并把这个破裂区定义为围岩松动圈。虽然，围岩松动圈理论提出了剪胀变形是支 护的主要对象，但对于剪胀变形定量计算尚没有深入研究。日本学者池田和彦等 人在1 9 7 4 年建立了根据岩体波速计算松动圈的经验公式，但他们并未对松动圈 剪胀变形作定量研究。围岩松动圈支护理论【3 8 1 虽然取得了一定的研究进展，但目 前尚缺乏对围岩松动圈剪胀变形机理、不同岩石剪胀变形位移量大小方面的深入 研究。 从以上有关位移预测方法的研究方面可以看出，国内外学者在围岩变形分析 方面已经做了很多研究，并取得了一定的成果。连续体力学方法、等效连续体模 型方法、非连续体力学方法、现场测试及围岩松动区理论等方法各有优缺点。 除此以外，李晓静【3 9 1 根据二滩工程现场脆性岩石材料的室内试验，提出一种 围岩位移的预测方法，并对二滩工程的位移进行了预测分析，与现场实测数据吻 合性良好。 8 大学硕士学位论文 研究厂房开挖引起的张开位移的文献很少，多 数都是采用等效的方法，转换成连续介质力学问题进行求解，或根据现场实测资 料进行反分析等。大多数的研究都指出了高地应力下岩体变形的特殊性，存在脆 性开裂现象( 甚至是岩爆) ，即肯定了张开位移的存在性；部分学者根据现场量 测数据得出了张开位移在总位移中占有相当大的比例。但是未对张开位移进行具 体研究。只有李晓静在其博士论文中提出了张开位移的预测方法，该项工作尚待 进行下一步的深入研究。 因此，本文将在此基础之上，进行更深一步的实际地下洞室群工程中张开位 移的系统性分析研究。 1 3 本文的研究内容和研究方法 在前人研究的基础之上，对高地应力区岩体的张开位移进行系统性分析对比 研究，主要研究工作有以下几点： ( 1 ) 查阅国内外相关的高地应力脆性岩体位移预测的资料，针对高地应力 区脆性岩体开挖所引起的张开位移，从已建洞室群的现场开裂现象以及裂纹受力 ? 数值模拟出发，分析了张开位移的发生机理； ( 2 ) 从能量耗散的基本原理出发，分析脆性岩体的变形特征，推导出基于 加卸载不同阶段的变模量模型： ( 3 ) 在f l a c 3 d 的基础上，用c + + 语言生成动态链接库d l l 文件，完成了 加卸载情况下的变模量模型的开发； ( 4 ) 对比研究位移预测方法、考虑能量耗散的变模量模型以及f l a c 3 d 自 带模型的计算结果，以验证模型的j 下确性； ( 5 ) 根据计算结果，结合锦屏一级大型水电站地下洞室群的实际工程背景， 提出工程指导建议。 9 山东大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章岩体劈裂张开特征及破坏判据研究 地下商场、人防工程、城市地铁、海底隧道、铁路及公路隧道、能源地下储 库及核废料地下处置库等地下结构工程的需求日益增加，因此，大型地下洞室群 的开挖稳定性引起越来越多学者、专家的关注。同时，这些大型地下工程由于所 处的地质环境条件很复杂，且开挖规模很大，并且围岩稳定性的影响因素众多， 因此，给岩石力学工作者提出了大量亟待解决的复杂问题。对大型地下洞室群的 稳定性而言，深入研究岩体的强度、变形及破坏规律等特征具有重要的意义。特 别是在地下洞室群的开挖深度逐渐增大，地质环境日渐复杂的情况下，研究深部 高地应力区脆性岩体所表现出的特有的力学特性就显得十分必要。其中，高地应 力区脆性岩体所表现出来的劈裂张开现象对大型地下洞室整体稳定性影响重大。 从现有的国内外地下工程的实践中可以看出，岩体工程开挖卸荷以后势必引 起应力的重分布，而应力的重分布会引起卸荷部位岩体的相应变形。但是几乎所 有的工程岩体的失稳破坏并不是在一开始就出现的，而是随着岩体的逐步开挖， 开挖面附近的荷载逐渐释放、调整，使得岩体变形在某些结构面或其中的薄弱部 位产生急剧增长。这一过程就使得围岩中所存在的原始裂隙不断地发展、演化， 进而产生宏观断裂并产生新的贯通面或滑移面。这也很好地解释了在实际工程 中，破坏经常发生在断层、节理、裂隙等围岩中较薄弱的软弱面部位的原因。对 于高地应力条件下的脆性节理岩体来说这种现象更为明显。 正如g r i f f i t h 研究所得【4 0 】：脆性物体的破坏是由物体内部存在的裂隙所决定 的。由于固体内微小裂隙的存在，会在裂隙尖端产生应力集中的现象，从而使裂 隙扩展，甚至破坏。通过对大量脆性岩石的室内试验和现场试验研究分析，发现 脆性岩体中节理扩展、破坏的微观机制主要有拉破坏和剪破坏两种。岩体中的节 理是由于张性断裂、剪切或两者的共同作用而产生的。不过，无论是拉破