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许多工程岩体,如软岩巷道开挖完成后的围岩体,在运行期间多处于塑性(破损)状态,由于其具有的应变软化性质,破损的岩体(石)仍具有一定的承载能力。随着应变软化过程的发展,有时围岩体会发生很大的变形,影响工程的正常使用,情况严重时甚至会导致围岩整体稳定性丧失,造成灾难性的后果。锚喷支护是岩体工程中广泛采用的支护形式,不仅可以有效的减少围岩体的变形和塑性区的范围,而且可以减缓峰值后区岩体的强度弱化行为、提高围岩体的强度。
目前采用数值模拟方法研究锚喷支护对岩体的加固效果时,围岩体本构模型大多采用理想塑性模型,很难真实反映锚喷支护的效果。本文首先研究了前人提出的统计损伤软化模型和Hoek-Brown应变软化模型,然后以典型的地下巷道为研究对象,利用Hoek-Brown应变软化模型对锚喷支护进行了数值模拟研究,主要内容如下:
(1)在岩石统计损伤软化模型中,描述了本构模型的建立过程,总结了本构方程中参数的两种确定方法和物理意义。然后考虑了两种微元强度分布规律Weibull分布和正态分布下分别使用Drucker-Prager准则、Mohr-Coulomb准则作为微元强度分布变量时对模型的影响,结果表明:在建立岩石的统计损伤软化模型时可自由选择Weibull分布或正态分布作为微元强度的分布形式,但应尽可能的使用Drucker-Prager准则而不是Mohr-Coulomb准则作为分布变量。
(2)简要介绍岩石的Hoek-Brown应变软化模型后,以已有的花岗岩的三轴压缩试验为背景,利用数据拟合的手段,通过假设单轴压缩试验下花岗岩软化段上偏应力与剪应变的关系与理想情况时的相同,给出了确定Hoek-Brown模型中软化参数的方法。然后根据确定出的软化参数在FLAC3D中利用Hoek-Brown软化模型对花岗岩的三轴压缩试验进行数值模拟,并与试验结果比较,两者比较吻合,说明了所采用方法的合理性,同时也表明了用Hoek-Brown软化模型来模拟岩石的应变软化现象是行之有效的。
(3)以一段分步开挖的地下巷道为研究对象,在FLAC3D中对比分析了围岩分别采用Hoek-Brown应变软化本构模型和Hoek-Brown理想塑性本构模型时锚喷支护的支护效果。结果表明,当围岩采用应变软化模型时,相比理想塑性模型时的情况,锚喷支护结构的支护效果更好,具体表现为:改善围岩应力分布状态、限制围岩位移和塑性区发展的作用更加明显,支护结构的受力也有相当程度的增大。如不考虑围岩体的应变软化现象,将会导致在一定程度上低估锚喷支护结构对岩体的加固效果。