【摘 要】
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“十四五”规划以来,我国在西南地区、黄河上游等重点流域大力开发建设大型水电能源基地,其水力发电设施往往需要建设大型深部地下洞室群来作为主要承载构筑物,而大型深部地下洞室群建设和运营过程中因遭遇深部软弱夹层而引起的各类变形破坏问题是亟需克服的主要建设难题之一。为阐明高地应力卸荷条件下深部软弱夹层破坏的宏细观力学机制,本文以西南某水电站左岸深部地下洞室建设中揭露的软弱夹层为研究对象,通过不同应力水平、
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“十四五”规划以来,我国在西南地区、黄河上游等重点流域大力开发建设大型水电能源基地,其水力发电设施往往需要建设大型深部地下洞室群来作为主要承载构筑物,而大型深部地下洞室群建设和运营过程中因遭遇深部软弱夹层而引起的各类变形破坏问题是亟需克服的主要建设难题之一。为阐明高地应力卸荷条件下深部软弱夹层破坏的宏细观力学机制,本文以西南某水电站左岸深部地下洞室建设中揭露的软弱夹层为研究对象,通过不同应力水平、不同加卸荷应力路径下的三轴试验,SEM电镜扫描试验,MATLAB细观图像精细量化处理等方法,揭示复杂应力路径下软弱夹层变形和强度等的应力路径相关性特征,辨析其在不同应力路径下的多尺度变形破坏机制。基于此建立修正等效塑性功硬化本构模型(MWHM),并通过有限差分数值模拟软件FLAC3D将新模型(MWHM)应用于典型深部地下洞室的稳定性分析中,验证有效性,研究结果表明:(1)高地应力开挖扰动会使得地下洞室不同部位处于初始三轴应力状态的软弱夹层经历复杂的应力路径和应力重分布过程,室内试验应力路径可合理简化为常规三轴加荷、增轴压卸围压,恒轴压卸围压和卸轴压卸围压等。深部软弱夹层在高地应力下的塑性变形和破坏特性存在着显著的围压效应和应力路径效应。不同加卸荷应力路径下,高围压会抑制深部软弱夹层试样环向塑性变形的发展;相同初始围压下,卸轴压卸围压应力路径下塑性体积膨胀变形最显著(2)高地应力不同路径下深部软弱夹层细观破坏特征均表现出平面孔隙率降低、颗粒破碎、颗粒定向排列、颗粒和孔隙Korcak分维数(Dkg、Dkp)提高的特征。a)常规三轴加荷试验试样孔隙率相比于试验前降低了约10%,颗粒平均面积降低了约40%,而各卸荷应力路径平面孔隙率明显大于常规三轴加荷试验,与卸荷应力路径下回弹变形更为强烈的宏观现象一致;b)不同应力路径下深部软弱夹层破坏时,均伴随着颗粒破碎现象。试验后颗粒平均面积越小,说明颗粒破碎现象越剧烈,文中采用的应力路径中颗粒破碎程度由大到小依次为:循环加卸荷(202.91μm2)>增轴压卸围压(449.46μm2)>常规三轴加荷(597.79μm2)>恒轴压卸围压(608.91μm2)>卸轴压卸围压(928.61μm2)。c)不同应力路径下深部软弱夹层破坏时,均伴随着颗粒定向排列现象,卸荷应力路径下颗粒定向性更加明显,有序性增加,颗粒的方向向0°~15°聚集。其中,卸轴压卸围压应力路径的定向特征最为显著(各项异性率较试验前提高了约22.33%),且因双向卸荷作用其颗粒的方向在0°~15°和60°~75°方向均产生聚集。d)深部软弱夹层具有显著的Korcak分形特征,颗粒Korcak分维数(Dkg)与颗粒平均面积之间存在显著的线性回归关系,颗粒平均面积越小,颗粒破碎现象越剧烈,颗粒Korcak分维数(Dkg)越大,即可用Dkg定量描述深部软弱夹层颗粒结构特征,以客观反映不同应力路径下颗粒结构变化。(3)在高地应力复杂卸荷应力路径下,深部软弱夹层的等效塑性应变、等效塑性功、塑性体应变等内变量均受应力路径影响,把这些参数作为硬化参量无法体现应力路径无关特性;通过修正等效塑性功硬化参量,建立深部软弱夹层变形参数和强度参数随硬化参量的演化关系式,并基于Mogi-Coulomb屈服准则,剪切破坏采用关联流动法则而拉伸破坏采用非关联流动法则确定塑性势函数,构建修正等效塑性功硬化本构模型(MWHM),可较好地描述深部软弱夹层卸荷非线性变形过程及体积膨胀特征,具有较广泛的适用性。(4)采用VC++语言编写模型的头文件(usermwhm.h)和源文件(usermwhm.cpp),生成深部软弱夹层卸荷模型的动态链接库文件(MWHM.dll),将其嵌入FLAC3D模拟室内三轴卸荷试验并与室内试验结果对比验证了模型的合理性,同时将该模型应用于软弱夹层影响下的深部地下洞室围岩稳定性分析中,有效描述了深部地下洞室分层开挖过程中软弱夹层所引起的围岩不连续变形破坏及应力重分布等问题,计算结果可为相关工程的合理施工和支护优化提供重要科学依据。
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