深部巷道围岩应变软化机理与稳定性控制研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:Cantarali
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深部岩体受高温高压和开挖扰动影响,其峰后力学行为有诸多非线性特征,表现为弹塑性耦合特征、应变软化特性和塑性破坏特征。对深部地下工程开挖,开挖面附近围岩即处于此状态,但仍具有一定承载能力,其自身承载、变形和稳定等力学特性对深部岩石工程稳定而言影响显著。因此,有必要对其开展相关研究,以期揭示其相关力学行为,并由此开展理论计算和数值模拟等工作。通过开展三轴循环加卸载试验,获得围岩在不同围压和塑性应变下的力学参数。基于试验数据,从构建围岩应变软化过程的力学模型着手,考虑弹塑性耦合效应,对应变软化问题进行了研究,获得主要成果如下:(1)考虑深部岩体三向受力特点,通过对岩石真三轴试验结果的分析和强度特征的归纳总结,指出既有2D强度准则的不足,并对三个主应力对岩石强度的影响规律进行了分析并获得:(1)岩石强度随最小主应力的增加而增加,在拉压子午面上呈递增趋势,但强度增幅逐渐减小;(2)岩石拉压强度比随静水压力的增大经历先增大再减小的过程,当静水压力足够大时,其拉压强度趋于相等,在偏平面上为近似圆形;(3)中间主应力从最小主应力增至最大主应力的过程中,岩石强度同样先增大再减小。结合上述主应力对岩石强度作用的三效应,通过融合EXP强度准则和三个罗德函数分别在子午面和偏平面的优点,提出了构建岩石真三轴强度准则的方法,并获得了EWW、EMN和EYMH真三轴强度准则表达式。(2)考虑深部岩体弹塑性耦合特征和受高围压影响,通过开展岩石的三轴循环加卸载试验,进行了岩石应变软化力学模型研究。提出深部岩体峰后力学特性应同时考虑当前所处的应力状态及过去经历的塑性应变历史两方面因素的影响,并获得了围岩应变软化阶段的强度参数、变形参数和剪胀角在围压和塑性应变这两方面因素影响下的变化规律。结果表明:粘聚力、内摩擦角、弹性模量和剪胀角等参数均可在由围压-塑性剪切应变构成的空间通过所构建二维函数对其进行描述,与试验结果具有较高拟合精度,并适用于FLAC数值程序。(3)针对深部岩体表现出的应变软化和围压依赖效应等非线性特征,基于材料参数随塑性应变降低而随围压提高的特征,将圆形洞室开挖影响区域围岩划分为破裂区、软化区和弹性区三部分,弹性区和软化区都进一步划分为n-1个环,每个环内的材料属性相同,进而基于M-C准则和H-B准则提出了考虑应变软化的圆形隧道围岩弹塑性耦合分析方法,经验证表明该方法能够明显地提高计算效率及准确性。(4)为获得非圆巷道弹塑性耦合应变软化模型的数值结果,以便于工程应用,利用FLAC 3D所提供的UDM二次开发程序接口,通过Visual Studio2010开发平台将FLAC内置的C++语言编写的本构模型编译成动态链接库.dll文件,将所建立的本构模型嵌入到了FLAC 3D中,通过模拟三轴试验与实际试验数据进行比对验证模型的正确性;通过模拟圆形隧洞开挖问题,与M-C模型和SS模型对比表明,EPCSS模型能够有效地反映出围岩受围压和塑性累积作用而产生的破坏特征与变形特性,从而获得了能够真实反映围岩破裂后的力学行为的数值分析方法。(5)结合实际工程将所建立的弹塑性耦合应变软化模型用于深部软岩巷道稳定性分析,通过数值方法模拟巷道分步开挖过程,与FLAC3D中内置的应变软化模型对比研究并获得了巷道顶板、两帮和底板的位移场和应力场分布规律,表明所建立的模型更好的反映巷道塑性劣化变形特征,基于计算结果,针对性提出控制围岩塑性变形、改善围岩受力状态的复合支护结构的方案,取得良好效果。
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