【摘要】：地下隧道開挖工程中圍巖的穩(wěn)定性受到圍巖中節(jié)理裂隙的重要影響,且地下工程往往有裂隙水的存在。為避免因為裂隙的啟裂擴展而引發(fā)的工程事故,需研究滲透水壓下裂隙的啟裂機理以及水壓力和裂隙幾何尺寸等因素對裂隙啟裂特性的影響,具有重要工程意義。研究裂隙在什么受力狀態(tài)下達(dá)到極限狀態(tài),才能更好的選擇適當(dāng)?shù)氖┕すに嚭凸こ滩牧稀才殴こ踢M(jìn)程,進(jìn)而在保證工程的安全性的基礎(chǔ)上,達(dá)到更優(yōu)的性價比。前人關(guān)于裂隙的研究多是三維內(nèi)置裂隙,三維內(nèi)置裂隙的室內(nèi)試驗存在不易觀察其內(nèi)部發(fā)展的缺陷,數(shù)值模擬研究多采用PFC和FLAC 3D等離散元軟件,具有前處理功能較差、運算速度低、顆粒數(shù)量受限等缺點。本文研究對象為具有代表意義的二維貫穿裂隙,采用預(yù)制有貫穿裂隙的水泥砂漿試件進(jìn)行室內(nèi)試驗,可以直觀的看到裂隙的啟裂擴展過程。采用耦合了有限元和離散元的GDEM數(shù)值模擬軟件對試驗過程和隧道開挖進(jìn)行了模擬。GDEM軟件采用GPU并行技術(shù),計算速度快,且其數(shù)值計算方法適用于巖土和隧道工程的模擬。本文主要開展和完成工作如下:(1)對比探討了巖石力學(xué)中常用的幾個斷裂準(zhǔn)則的判斷標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)缺點及其適用范圍。建立巖體裂隙的力學(xué)模型,根據(jù)裂隙受力狀態(tài)推導(dǎo)得到裂隙尖端的Ⅰ型和Ⅰ型應(yīng)力強度因子�；诒疚难芯繉ο蟮奶攸c和斷裂準(zhǔn)則的討探,選擇周群力壓剪判據(jù)式來計算預(yù)制裂隙的啟裂強度表達(dá)式,選擇最大周向應(yīng)力理論來計算預(yù)制裂隙的啟裂角度表達(dá)式。并對裂隙受壓閉合后的啟裂強度進(jìn)行了推導(dǎo)。(2)含裂隙水預(yù)制平面裂隙的單軸壓縮室內(nèi)試驗,試驗材料采用類巖石的水泥砂漿材料,澆筑預(yù)制有二維貫穿裂隙的試件,并在試件中預(yù)留注水孔。分別控制裂隙水壓力、預(yù)制裂隙傾角、裂隙厚度等影響因素,記錄試驗裂隙啟裂過程。得到試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線,試驗結(jié)果與理論解析解對比分析表明,預(yù)制裂隙的啟裂方向隨著裂隙傾角、水壓力和裂隙厚度的增加而偏向裂隙原本方向,隨著水壓力的增加,試驗記錄得到的預(yù)制裂隙啟裂強度變小,即裂隙水的存在促進(jìn)了預(yù)制裂隙的啟裂。(3)使用商業(yè)軟件Ansys計算裂隙尖端應(yīng)力強度因子,與解析解進(jìn)行對比相互印證驗證。采用Gmsh軟件建模然后GDEM軟件模擬滲透壓下二維裂隙的啟裂擴展,并探討GDEM軟件中預(yù)制裂隙尖端裂紋的形狀對模擬結(jié)果的影響。采用GDEM軟件模擬隧道開挖圍巖穩(wěn)定性,通過監(jiān)測點記錄的圍巖變形等數(shù)據(jù)來探討隧道尺寸、開挖方式、隧道周圍環(huán)境和圍巖節(jié)理因素對圍巖穩(wěn)定性的影響,結(jié)果標(biāo)明圍巖中節(jié)理的存在使隧道四周圍巖因為開挖而產(chǎn)生的變形和應(yīng)力增大。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U452.12
【圖文】：

呈均勻分布。巖塊本身為不透水介質(zhì)，即含水壓裂隙中的水壓力作為面力作用于逡逑裂紋表面。逡逑壓剪狀態(tài)下含水壓預(yù)制平面裂紋模型如圖２－１所示。其中，巧和％為遠(yuǎn)場逡逑壓應(yīng)力，ｃｒ３＝Ａｃ７，，巖體內(nèi)部存在一條具有厚度的斜裂紋，裂紋尖端簡逡逑化為兩個半圓，曲率半徑為裂紋長度為２ａ，《為裂紋與％方向的夾角；Ｐ為逡逑裂紋內(nèi)部水壓力；０為裂隙啟裂角度。依據(jù)斷裂力學(xué)理論和實驗觀察，裂紋尖端逡逑存在應(yīng)力集中，預(yù)制裂紋在壓剪狀態(tài)下閉合之前具有開度，裂紋兩段為兩段圓弧，逡逑故沒有應(yīng)力奇異問題，一般是通過裂紋邊緣尖端部分的應(yīng)力分布判斷其是否啟逡逑１０逡逑

邋＝邐去［（0？【＋（Ｊ３邋）＋（0■，邋－＜ｒ３邋）ｃｏｓ（２ｏｒ邋－Ｊｎａ邋0邋（２－４）逡逑切向應(yīng)力Ａ對預(yù)制裂隙的邊緣起到拉伸作用，其拉伸應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在逡逑裂隙尖端，大小等于切向應(yīng)力Ａ［５（）］，如圖２－２所示。逡逑Ｔ１＇邋Ｊｌｒ邋ｒ逡逑°ｒ—＾－Ｔｉ邋ｉ邋ｉ邋｛，！｝邋Ｔ邋ｒｒＰＨ—0ｒ逡逑圖２－２裂隙受力狀態(tài)圖逡逑Ｆｉｇ邋２－２邋Ｃｒａｃｋ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｓｔａｔｅ逡逑裂隙尖端部位的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的ｉ型應(yīng)力強度因子為：逡逑＝邋ａＴ－Ｊｐ邋／邋ａ－Ｊｎａ邋＝邋＜�。郏�0■，邋＋ｃｒ３邋）－（0？，－0？，邋）ｃｏｓ邋（２ｏｒ邐ｙｊｐ邋／邋ａ邋Ｊｎａ邋0邋（２－５）逡逑根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)疊加原理，裂隙邊緣的Ｉ型應(yīng)力強度因子為：逡逑＆邋＝尤「＋邋＾＾。由公式（２－４）邐（２－５）可以看出法向壓應(yīng)力％對于預(yù)制裂隙的逡逑擴展起抑制作用，而是對預(yù)制裂隙的擴展起促進(jìn)作用。預(yù)制裂隙Ｉ型裂紋的逡逑１２逡逑

圖２－３應(yīng)力圓和抗剪強度曲線逡逑Ｆｉｇ邋２－３邋Ｓｔｒｅｓｓ邋ｃｉｒｃｌｅ邋ａｎｄ邋ｓｈｅａｒ邋ｓｔｒｅｎｇｔｈ邋ｃｕｒｖｅ逡逑如圖２－３所示，當(dāng)莫爾應(yīng)力圓和抗剪強度線相切時，該點處于極限平衡狀態(tài)。逡逑應(yīng)力圓和抗剪強度線相離時，該點的狀態(tài)安全是彈性平衡狀態(tài)。當(dāng)一點的應(yīng)力圓逡逑直徑大到和強度線相割時，該點處于破壞狀態(tài)。逡逑莫爾庫倫強度理論實際操作性強，使用起來簡單方便，且使用該理論可以較逡逑好的解釋巖石材料抗壓強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗拉強度的特點。不僅可以適用于脆性巖逡逑石，還可以用于巖體的塑性斷裂。但莫爾庫倫強度準(zhǔn)則是根據(jù)試驗得來的強度準(zhǔn)逡逑貝ＩＪ，繪制的抗剪強度線和實際情況常有出入，沒有考慮到巖石中結(jié)構(gòu)面之間的相逡逑互影響。逡逑（２）邋Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ邋強度準(zhǔn)則逡逑１５逡逑

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本文編號：2770627