深部洞室围岩时效劈裂现象的试验研究与理论分析

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伴随国家对发展水利水电工程的支持,我国西南地区的水电站建设正在如火如荼的开展中。在水电站的建设过程中,由于西南地区高山较多,水电站所开挖的地下洞室处于高温、高地应力、高渗透压以及开挖扰动,即“三高一扰动”的特殊恶劣的地质条件下,因此深部洞室出现了类似分区破坏、强流变以及大变形等较为特别的破坏方式,而在这当中时效劈裂现象较为引人关注。时效劈裂现象是洞室围岩在较高的地应力条件下形成的一种特殊工程地质现象,该种现象的影响主要有降低洞室锚杆的耐久性、引发渗水甚至削弱吊车梁的稳定性以及承载能力。故而,在国内以及国际范围内,有相当一部分专家学者对其进行了大量而又系统的研究,但是对于时效劈裂现象形成的机制仍然没有达成一致的结论。本文依据国家自然科学基金项目“深埋高地应力条件下卸荷诱发高边墙地下洞室围岩时效劈裂的演化机制研究”,以锦屏一级水电站地下厂房洞室作为工程的背景,第一步通过开展四种不同工况下的室内地质力学模型试验,来分析造成劈裂破坏现象的成因以及时效破坏程度相关的因素;接下来再进行结合断裂损伤力学、岩石流变力学、流变元件模型等学科知识进行理论分析,建立能够反映围岩时效劈裂现象的模型,并得到相应的本构模型。论文的主要研究内容如下:(1)在试验室内开展了四种工况下的地质力学模型试验,研究了不同的应力条件对于深部洞室围岩时效劈裂现象的影响,得到深部洞室围岩时效劈裂现象的产生条件以及时效劈裂程度的影响因素。并且对围岩中侧向应变随时间的变化进行了记录,对比分析了三种不同工况下应变与时间变化曲线的不同以及产生的原因。(2)结合断裂损伤力学、岩石流变力学以及流变元件模型等学科的知识,进行理论分析。首先分析了深部洞室从开挖开始到卸荷达到稳定这个过程中,围岩应力的变化过程,然后描述了围岩劈裂裂缝从起裂到最终稳定再某一个固定数值左右的整个过程,最后根据围岩劈裂裂缝出现以及发展的几个阶段,分别利用不同的流变元件来表征时效劈裂的不同阶段,并将表征各个阶段的元件串联起来,建立了描述围岩时效劈裂现象全过程的模型。并且在这个过程中创造性的提出了劈裂塑性体概念,并首次用它来表征围岩劈裂现象产生以及劈裂裂缝开裂的(3)过程之后,通过对所建立的模型进行分析,得到了表征围岩时效劈裂现象的本构方程。(4)利用非线性拟合软件1stOpt对所得到的时效劈裂现象的本构方程进行参数识别。将试验所得到侧向应变随时间变化的数据与所推导出的本构方程进行拟合,得到了本构方程理论曲线与试验曲线的对比,发现两条曲线的趋势大致相同,软件最终识别出的岩石参数大致符合实际情况,拟合结果较为准确。
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