岩体开挖损伤松弛机理与分析

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岩体开挖损伤松弛问题对工程安全性和经济合理性有极大影响。探索岩体开挖损伤松弛的机理、建立相应的力学模型和分析方法、研究岩体松弛效应对工程的影响,有着非常重要的现实意义和重大的社会效益。本文结合小湾拱坝坝基开挖过程中出现的岩体松弛问题,依托现场监测资料和课题组已有的研究成果,同时参考国内外文献资料,主要针对岩体损伤松弛的判断准则、不同施工阶段松弛效应的分析方法、考虑损伤的松弛本构模型等问题进行了一些初步研究。本文的主要研究内容如下:(1)综述了岩体开挖损伤松弛问题的国内外研究现状,指出了研究中的关键科学技术问题,并对本文的主要研究内容进行了介绍。(2)针对目前初始地应力场反演方法中存在的不足,采取一次反演和子模型相结合的二次计算方法,对初始地应力场的反演分析方法进行了研究,并以假定的水电工程坝址区横河向剖面为考题,对二次计算方法的有效性做出了初步判断。研究结果表明:断层等软弱地质构造对初始地应力场的反演有一定影响,一次反演中这些部位附近的应力可能存在较大误差,而通过对局部子模型进行地应力场二次计算,可以改善一次反演所得的应力结果,使测点应力的实测值与反演计算值之间相对误差减小。(3)基于大坝建基面开挖松弛机理和大量岩石力学试验,提出了一套新的岩体开挖松弛主拉应变判别准则,并阐明了岩石极限拉伸应变的取值原则和最大主拉应变计算方法,同时建立了针对岩体弹性指标和强度指标变化的松弛效应实用有限元算法。最后,利用所建立的松弛判据和算法对假定的水电工程坝址区横河向剖面开挖松弛问题进行了分析研究,研究结果定量判断了岩体松弛影响范围和合理反映了坝基岩体应力重分布现象。(4)针对坝体浇筑期间坝基松弛岩体卸荷裂隙被压密的现象,在节理岩体流变模型基本原则的基础上,采用“充填模型”对岩体裂隙进行模拟,建立了松弛岩体裂隙面刚度系数与法向应力的关系,进而推导了裂隙岩体的等效弹性模量算法,并对其中的实施细节进行了阐述,最后以含圆形孔洞、孔壁混凝土喷层和节理的方形岩石断面为例验证了本文算法的合理性。该算法可用于模拟松弛岩体逆向缓变过程,合理反映施工后期的后续松弛效应。(5)选取经典弹塑性理论框架内的累积等效黏塑性偏应变作为内变量,建立了松弛岩体各力学参数的损伤变量及演化方程,通过不断更新松弛后的力学参数和调用新提出的实用松弛算法,推导建立了一种新的松弛岩体弹黏塑性损伤本构模型,并通过算例考证了该模型的合理性和有效性。同时,针对实际工程应用中累积等效黏塑性偏应变难以确定的问题,建立了一套能够标定其具体量值和修正损伤本构模型的数值试验系统NTS,最后结合锦屏二级水电站辅助洞内的白山组大理岩常规三轴压缩试验曲线,对本构模型中应变阈值进行了综合确定,并为此类岩体损伤松弛效应分析的本构模型提供了修正依据,进而验证了NTS系统的合理性。(6)将新提出的岩体松弛效应分析方法应用于小湾工程中,研究了坝址区初始地应力场、坝基开挖期间及坝体浇筑期间的岩体松弛效应,并将仿真结果与现场监测成果进行了对比分析。研究结果不仅合理反映了开挖过程中基岩的常规应力应变规律,而且突出了松弛岩体在一定区域内的应力重分布现象;既真实反映了大坝仿真计算过程中坝基岩体的松弛回弹过程,又准确判断了岩体松弛效应对坝体-地基系统的影响时间。通过与现场监测成果的比较,进一步证明了本文研究的可靠性和实用性。最后,总结了本文的主要研究内容,并提出了今后尚待深入研究的若干问题。
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