深部裂隙岩体的围压效应研究

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在地表或浅层工程低应力地区,结构面对岩体的破坏起着重要的控制作用,然而随着工程达到数千米,原位岩体应力水平达到数十MPa甚至上百MPa,结构面在原始状态下、开挖卸荷过程中、开挖卸荷后不同的应力状态下其对岩体力学行为的影响如何,亟需进行深入系统的研究。本文基于岩石室内试验、数值模拟、理论推导等方法,首先设计试验,对硬脆性岩石渐进破坏过程中宏观力学参数进行了定量化研究,提出了剪切强度参数的双参数形式以及拉伸强度的脆性模式;其次,对含贯通光滑结构面岩体进行了室内试验,结果表明在低围压下随着结构面倾角的变化岩体强度呈现各向异性特征,随着围压的升高,这种各向异性特征逐渐减弱,岩体强度逐渐接近岩块强度,同时,理论推导了含贯通结构面岩体强度由各向异性向各向同性转化的临界围压,与已有的试验数据对比符合良好,对含贯通起伏结构面岩体进行了数值模拟研究,总结了压缩作用下含贯通起伏结构面岩体的渐进破坏模式,并研究了其与起伏度和围压的关系;然后,利用FLAC3D模拟方法进行含非贯通结构面岩体的数值模拟试验,在证明该模拟方法可靠的基础上,对含非贯通结构面岩体进行了系列的数值模拟试验,研究了单条结构面迹长、倾角对裂纹扩展、岩体强度的影响,同时,基于二次程序开发,将结构面网络模型导入到FLAC3D模型中,研究了多非贯通结构面在不同围压下对岩体力学行为的影响;最后,利用本文研究成果,对三个深部高地应力地区洞室开挖过程中独特的破坏现象进行了研究。本文主要研究成果概括如下:  (1)开展了岩体渐进破坏过程的抗剪、抗拉强度室内实验,修正了常参数强度准则以及CWFS准则,可以适用于高地应力洞室开挖等深部岩体工程;  (2)基于结构面抗剪强度理论与岩石Hoek-Brown准则,建立了岩体强度各向异性及其转化的临界围压公式σ3c=[m+(m2+54)0.5]σc,并将其与室内实验结果进行了比较,效果良好;  (3)研究了不同起伏度、围压下岩体的渐进破坏特征,发现起伏结构面尖端易引起应力集中,发生局部破坏,进而产生整体破坏,并将起伏结构面岩体渐进破坏总结为四类:结构面滑动-塑性破坏,结构面滑动剪切-脆性破坏,结构体剪切脆性破坏以及结构体剪切-塑性破坏;  (4)将岩石渐进破坏准则内嵌入FLAC3D,并应用于研究非贯通结构面对岩体力学行为的影响,揭示了不同结构面倾角、迹长、围压等组合下岩体破坏特征;  (5)本文的研究成果可以解释加拿大URL、锦屏一级、锦屏二级等工程中出现的一些独特深部岩体破坏现象。
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