【摘要】：隨著基礎(chǔ)工程建設(shè)、資源開發(fā)的逐步深部化和核廢料處理的迫切性,深埋地下洞室的開挖破壞區(qū)成為國內(nèi)外學者關(guān)注的熱點問題。本文采用理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測對比驗證的方法,圍繞深埋硬脆性巖石隧道開挖過程中巖石呈現(xiàn)的破壞特征、開挖破壞區(qū)的形成機理、開挖破壞區(qū)數(shù)值模擬和深度預(yù)測方法等一系列問題展開研究。本文首先總結(jié)了脆性巖石在破壞過程中力學特性的演化規(guī)律,然后在理論和已有研究成果的基礎(chǔ)上分析適合描述脆性巖體力學行為的本構(gòu)模型,即彈-脆-塑性(EBP)模型,粘聚力-脆性-摩擦強度(CBF)模型和裂隙初始-劈裂界限(DISL)模型,為數(shù)值模擬提供了模型。借助于有限元軟件Phase2對加拿大地下實驗室Mine-by隧道進行開挖模擬。通過與Mine-by試驗隧道開挖破壞區(qū)的監(jiān)測資料進行比對,選擇最有效的脆性模型。對比發(fā)現(xiàn),選用EBP模型得到的破壞區(qū)范圍角大于觀測值,選用CBF模型計算得到的破壞區(qū)深度和范圍角均小于監(jiān)測數(shù)據(jù),而通過DISL模型計算得到的深度和范圍角均與觀測值相當。該結(jié)果初步驗證了DISL模型的優(yōu)越性。在此基礎(chǔ)上,考慮實際開挖面輪廓具有高度不規(guī)則性,因此以光滑圓形和連續(xù)小半圓形分別模擬設(shè)計和實際開挖面輪廓,獲得不同的開挖破壞區(qū)范圍和應(yīng)力狀態(tài),可見簡化開挖面幾何形狀具有不合理性。由于隧道左右邊墻也產(chǎn)生破壞區(qū),所以采用漸進開挖法模擬隧道的開挖過程,對比分析開挖模擬方法對破壞區(qū)形狀的影響。結(jié)果表明,以實際斷面輪廓為隧道的開挖邊界,通過DISL模型和漸進開挖法能夠很好地捕獲開挖破壞區(qū)的幾何形狀和范圍。采用經(jīng)上述驗證后的數(shù)值模擬方法對光滑圓形隧洞進行模擬計算,分析開挖面附近圍巖的力學響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn):巖石從高度破壞區(qū)進入破壞區(qū)的標志是:最小主應(yīng)力值開始增長,拉應(yīng)變值達到最大,剪應(yīng)變值急劇減小;破壞區(qū)內(nèi)、外邊界的分區(qū)指標是體積應(yīng)變曲線發(fā)生反轉(zhuǎn);屈服單元的產(chǎn)生標志著從破壞區(qū)過渡到影響區(qū);DISL模型能夠很好地刻畫圍巖應(yīng)力路徑,準確描述脆性巖體的力學行為。對于一個給定的工程,上述分區(qū)方法為準確確定破壞區(qū)各區(qū)的尺寸提供了新思路。如果將這一成果進一步拓展研究,并應(yīng)用于工程實踐,將會對工程的長期穩(wěn)定性預(yù)測產(chǎn)生重要的指導意義。
[Abstract]:With the construction of basic engineering, the gradual deepening of resource development and the urgency of nuclear waste disposal, the excavation and destruction area of deep buried underground cavern has become a hot issue that scholars at home and abroad pay attention to. In this paper, the method of theoretical analysis, numerical simulation and field monitoring is used to verify the failure characteristics of the rock and the formation mechanism of the damage zone during the excavation of the hard-brittle rock tunnel. A series of problems such as numerical simulation and depth prediction of excavation failure zone are studied. In this paper, the evolution law of mechanical properties of brittle rock in the process of failure is summarized, and then the constitutive model which is suitable for describing the mechanical behavior of brittle rock mass is analyzed on the basis of theory and existing research results, that is, the elastic-brittle plastic (EBP) model. The cohesion brittleness friction strength (CBF) model and the fracture initial-splitting limit (DISL) model provide a model for numerical simulation. The excavation of Mine-by tunnel in Canadian underground laboratory was simulated by the finite element software Phase2. The most effective brittle model is selected by comparing with the monitoring data of the excavation failure zone of the Mine-by test tunnel. It is found that the range angle of damage zone obtained by using EBP model is larger than the observed value, the depth and range angle of damage zone calculated by CBF model is smaller than that of monitoring data, and the depth and range angle calculated by DISL model are equal to the observed values. The results preliminarily verify the superiority of the DISL model. On this basis, considering the highly irregular profile of the actual excavated surface, the smooth circular and continuous small semicircle are used to simulate the design and actual excavated surface contour, respectively, and to obtain different excavation failure areas and stress states. It can be seen that the simplified geometric shape of the excavated surface is unreasonable. The excavation process of the tunnel is simulated by the progressive excavation method, and the influence of the excavation simulation method on the shape of the damage zone is analyzed comparatively because the damage zone is also caused by the left and right side walls of the tunnel. The results show that the geometric shape and range of the excavation failure zone can be captured well by using the DISL model and the progressive excavation method taking the actual section profile as the excavation boundary. The numerical simulation method verified above is used to simulate and calculate the smooth circular tunnel, and the mechanical response of surrounding rock near the excavating surface is analyzed. It is found that the sign of rock entering the failure zone from high failure zone is that the minimum principal stress value begins to increase, the tensile strain value reaches the maximum, and the shear strain value decreases sharply, and the zoning index of the outer boundary is the inversion of the volume strain curve in the failure zone. The generation of yield element indicates that the DISL model can well describe the stress path of surrounding rock and accurately describe the mechanical behavior of brittle rock mass. For a given project, the above zoning method provides a new idea for the accurate determination of the size of the damage zone. If this achievement is further developed and applied to engineering practice, it will be of great significance to predict the long-term stability of engineering.
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD315

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本文編號：2131875