深部岩体非协调变形理论初步研究

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经典的岩石力学理论以连续介质理论为基础,适用于浅部岩体,此时岩体变形较小,可用弹性理论对岩体进行分析和求解,变形满足协调条件。而深部岩体赋存环境明显有别于浅部岩体,由于缺陷和内应力的存在可能使变形不连续、不协调,传统的连续介质理论难以正确的描述岩体的受力和变形。本文对岩体变形非协调理论进行研究,通过引入非欧几何参数描述岩体的运动和变形,综合运用理论分析和数值模拟方法,揭示深部岩体的非协调变形特性及破坏规律,这对深部岩石力学理论的发展及其在工程实践中的应用具有重要的意义。论文取得如下创新研究成果:(1)建立了深部岩体非协调变形位错理论。从经典弹性力学角度出发,导出Saint Venant几何协调方程,以具有位错的深部岩体为研究对象,利用位错密度张量,分析位错的几何意义,提出深部岩体非协调位错理论。研究静水压力条件下具有位错的深埋圆形洞室弹塑性变形,得出对于深部圆形洞室,在围压作用下其非协调张量是随着围岩半径变化的,应力函数为泊松方程,由于位错的存在使得围岩径向正应力减小,环向正应力增大。(2)建立了深部岩体非协调变形内应力理论。利用微分几何数学工具引入黎曼流形,分析具有内应力的深部岩体的运动和变形,导出位移非协调方程,建立变形与黎曼曲率张量的关系,并以黎曼曲率张量作为内部变量构建深部岩体非协调变形热力学模型。分析得出岩体由于内应力的存在使变形非协调,内应力一部分随着地下工程开挖耗散掉,剩余的部分残留在岩体内,使深埋圆形洞室的应力场呈现出周期性的波动变化,当峰值处的应力超过岩体的强度时岩体产生破坏,深部岩体存在的分区破裂便是一种周期性的破坏。对于具有内应力的岩体,随着岩体弹性模量E的增大,岩体环向正应力峰值减小,弹性模量E越大,相同变形情况下岩体内应力耗散越多,残余的内应力越小,另外随着弹性模量E的增大,峰值应力的位置向洞室内靠近,表明岩体越坚硬,靠近洞室表面的破坏越为剧烈。随着岩体泊松比v的增大,岩体环向正应力峰值减小,表明泊松比v越大,相同围压下岩体的变形越大,内应力得到更多的释放,残余的内应力越小。另外随着泊松比v的增大,峰值应力的位置也向洞室内靠近。(3)建立了深部岩体非协调变形缺陷塑性理论。利用微分几何数学工具,分析岩体弹塑性变形过程,提出岩体塑性变形的三种构形,导出弹塑性变形的弹性应变张量部分与经典弹性力学应变张量及非欧参数的关系,建立包含非欧参数的塑性应力—应变表达式并导出有限元表达式,采用FORTRAN语言编写弹塑性有限元程序,分析具有缺陷的深部岩体弹塑性变形。对于静水压力条件下深埋圆形洞室,由于缺陷的存在使得围岩的刚度降低,当R=0.1~0.3时,围岩进入塑性状态所需的压力随R的增大呈线性的减小,当R超过0.4以后围岩的弹塑性刚度显著减小,围岩迅速进入塑性状态,同时变形有显著的增加。该论文有图28幅,表5个,参考文献138篇。
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