地下洞室围岩劈裂及时效性机理研究
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作者李晓静
出版社机械工业出版社
ISBN9787111547907
出版时间2017-05
装帧平装
开本16开
定价39元
货号25072211
上书时间2024-11-19
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前言
地下工程是水利水电、交通运输、城市建设、矿山建设、能源储存及核废料地质处置等工程中综合力学、地质学与工程科学的交叉学科，并应用结构力学、连续介质力学、材料试验、现场试验、现场监测、数值仿真等方法解决工程稳定性问题。
工程岩体的力学特性直接关系着地下工程设计、施工和运营期的稳定性，有关裂隙岩体的裂隙扩展机理、强度、变形、渗透性等特征一直是近年来岩土工程研究的重点和难点。本书围绕地下工程领域的关键科学问题，地下洞室群在开挖时，洞室之间的岩柱往往会出现纵向的劈裂裂缝现象，这种裂缝对于洞室的稳定性造成威胁。尤其对处于大埋深、高地应力的脆性围岩中的地下洞室，开挖时更容易产生这种裂缝，且通常会有更为剧烈的脆性变形破坏发生，如岩爆等。本著作以该现象为研究对象，通过实验室模拟试验，能量耗散理论分析以及数值分析等手段，深入地研究和探讨了劈裂裂缝的形成条件与机理，取得了一系列有意义的研究成果。本研究力图将地下工程围岩劈裂稳定性分析理论与工程实践相结合，在介绍作者研究团队成果的同时兼顾国内外研究进展。本书共8章，其中李晓静负责全书的统稿和第1、3、4、5章的编写工作，邹辰浩、张岩和岳晓蕾负责第6、8章，山东水总有限公司向建和付海华负责第2、7章的编写工作。
试验方面，选定了一定配比的水泥砂浆材料作为模拟脆性岩石的类岩石材料来模拟地下工程开挖时岩柱的加卸载过程。试验采用自行研制的真三轴加卸载装置，该装置可实现对试件的三向加载和卸载，成功地模拟了地下洞室因开挖出现劈裂裂缝的时效性过程，得出卸载使得岩柱内应力场发生重分布，部分区域出现应力集中的结论。开挖面附近近似单轴受压的受力特点使得试件出现了劈裂裂纹。
基于试验结果，从能量耗散理论出发，分别推导出了拉伸和压缩应力作用下，裂纹扩展所需的能量的表达式。结合实验室加卸载试验分析，得出脆性岩石中裂纹扩展受到颗粒粒径的影响的结论，并据此建立了沿颗粒粒径扩展形成劈裂破坏的细观能量模型。
通过压缩试验获得的脆性岩石的全应力应变曲线，利用体积变量和裂纹体积变量等损伤变量分析得出裂纹发展的五个阶段，即压密、弹性、微裂纹稳定扩展、裂纹非稳定扩展和峰后失稳等，并得出随着加载的进行，脆性岩石内部会同时引起黏聚力和摩擦力改变的结论。
基于断裂力学理论，采用简化的直线型滑移裂纹组进行分析，得出了微小裂纹扩展贯通形成纵向劈裂裂缝的临界长度、间距和应力。劈裂裂缝将岩柱分割成为多个厚度很小的岩板，在轴向压缩荷载的作用下，其受力状态类似于弹性力学理论中的薄板压屈问题。借鉴薄板压曲的相关理论，结合能量耗散分析方法，研究了出现宏观劈裂裂缝之后，岩柱失稳破坏的机理，得到了岩板发生压屈破坏的临界荷载，并且推导得出了劈裂裂缝条数的计算公式。
根据前述工作,提出了劈裂破坏的稳定性判据、经验裂纹密度公式和围岩位移的预测分析方法。
基于本书所提出的能量方法，结合数值软件FLAC 3D，利用本书提出的劈裂破坏判据和位移预测方法，针对二滩工程进行了对比分析，取得了较好的一致性效果。
利用可以描述脆性岩石非均匀性的三维有限元程序RFPA3D，模拟了二滩地下工程洞间岩柱的破坏过程，证实了在高地应力作用下，劈裂裂缝这种脆性破坏形式是造成洞室失稳的重要因素，同时也对物理力学试验的结果进行了验证。
地下洞室围岩劈裂及时效性机理研究前言本书是本人及本人带领的学术团队多年来研究成果的集中体现。近年来，本人主持国家自然科学基金“深埋高应力条件下卸荷诱发高边墙地下洞室围岩劈裂的时效性演化机制研究”（41372294） 和 “考虑能量耗散的深埋脆性裂隙岩体张开型劈裂破坏机理研究”（41002098），在劈裂变形破坏机理、应力判据、劈裂试验及时效性等方面开展了系统的理论与试验研究，并依托国内重大地下工程开展工程应用研究，历时数年，完成了本著作。
本书理论分析与工程应用紧密结合，研究成果具有广泛的工程应用价值。本书的研究领域为深部岩体工程，可供水利、矿山等专业的科研工作者或相关专业的高等院校师生作为参考书。
李晓静
导语摘要
随着我国基础设施建设高速发展，西部地区水电建设项目的地下工程呈现出规模空前、工程地质条件复杂、大埋深和高地应力等特点。以二滩工程为例，高边墙地下洞室围岩由于具有高地应力低强度应力比特征，在开挖卸荷过程中诱发了围岩时效劈裂大变形的非线性力学行为。本研究采用模型试验、理论和数值模拟等综合分析方法揭示（时效）劈裂强度破坏条件和变形机制；通过开展高应力条件下真实岩石材料加卸荷试验和相似材料三维地质力学模型试验，探索时效损伤破裂特征，揭示围岩（时效）劈裂力学变化规律与演化机制；在现场监测、系统模型试验研究的基础上，通过断裂、损伤力学、流变力学和能量耗散等理论研究，建立反映高应力条件下硬脆性裂隙岩体卸荷（时效）损伤劈裂准则和本构模型，并提出模拟时效劈裂的数值分析方法，继而实现应用于工程实践的地下洞室围岩时效劈裂安全性的分析和评价方法。本研究将对深部水电工程地质学及岩体工程稳定学领域有重要的理论意义和实际工程应用价值。
本书可供水利、矿山等专业的科研工作者或相关专业的高等院校师生作为参考书。
目录
目录
前言
第1章绪论
1.1引言
1.2国内外研究现状
1.2.1裂纹扩展
1.2.2深部岩体力学的特点和岩石的脆性特征
1.2.3能量耗散
1.3研究内容
第2章现场岩石试件强度特性分析
2.1引言
2.2岩石单轴和三轴压缩及单轴情况下卸载试验研究
2.2.1试件的制备
2.2.2试验步骤
2.2.3试验结果及分析
2.2.4强度特征
2.2.5岩样的破坏特征及损伤机理分析
2.2.6岩石的扩容特性
2.3模拟洞室开挖的加载－卸围压试验研究
2.3.1类岩石材料试件的制备
2.3.2三轴加卸载装置工作原理及加卸载试验过程
2.3.3岩体加卸载破坏时的应力－应变特征
2.3.4洞室开挖模拟过程中的声发射特征
2.4本章小结
第3章劈裂裂缝形成机理的细观能量法分析
3.1脆性岩石材料破坏的各阶段特征分析
3.2裂纹扩展的能量法解析
3.2.1裂纹扩展过程中的应变能释放率和能量守恒定律
3.2.2张拉荷载作用下的裂纹扩展能量分析
3.2.3压缩荷载作用下的裂纹扩展能量分析
3.3压缩荷载下劈裂裂缝的细观能量模型
3.4脆性岩石黏结弱化摩擦强化效应
3.5高地应力下岩体脆性破坏的相关讨论
3.6本章小结
第4章劈裂裂缝形成机理的宏观分析研究
4.1劈裂裂纹的贯通机理
4.1.1翼形裂纹的扩展贯通
4.1.2形成劈裂裂纹的翼形裂纹临界长度与临界间距的确定
4.2劈裂裂缝形成后岩柱失稳的薄板压屈理论研究
4.2.1问题的提出
4.2.2薄板压屈的临界荷载
4.2.3薄板压屈能量耗散分析
4.3本章小结
第5章洞室劈裂破坏判据和位移预测分析方法研究
5.1国内外对洞室产生脆性破坏判据的研究
5.2围岩产生劈裂破坏的稳定性判据
5.2.1脆性破损区的估算
5.2.2劈裂破坏的围岩稳定性判据
5.3位移预测分析方法
5.3.1裂纹扩展引起的变形分析
5.3.2裂纹密度经验公式
5.3.3工程现场位移的预测方法
5.3.4位移预测方法的验证
5.4本章小结
第6章劈裂破坏的数值模拟研究
6.1能量法分析地下洞群稳定性
6.1.1基本思路
6.1.2二滩工程实例分析
6.2围岩稳定性判据的应用
6.3地下洞室劈裂破坏数值模拟分析
6.3.1数值计算方案
6.3.2结果分析
6.4本章小结
第7章深部洞室围岩时效劈裂破坏现象的模型试验
7.1引言
7.2相似材料的制作
7.2.1相似概述
7.2.2相似材料的研制
7.2.3相似材料配比的确定
7.3模型试验系统的选用
7.3.1模型加载系统
7.3.2数据采集分析系统
7.4围岩时效劈裂破坏地质力学模型试验方法
7.4.1模型试验方案设计
7.4.2试验模型制作方法
7.4.3测量元件的布置
7.4.4模型的加载与开挖
7.5模型试验结果及分析
7.5.1工况一、二、三条件下模型边墙破坏现象的对比研究
7.5.2工况一、四条件下模型边墙时效破裂现象的对比分析
7.5.3模型边墙位移和应变的变化规律
7.6模型试验与现场监测对比分析
7.7本章小结
第8章时效劈裂力学模型的构建和验证
8.1卸荷过程微裂隙周边应力场的变化
8.2劈裂塑性体
8.3流变元件及组合模型
8.3.1流变元件及其变形特性
8.3.2经典组合流变模型及特性
8.4时效劈裂模型的建立
8.5时效劈裂模型的本构方程
8.6模型参数识别
8.6.1 1stOpt软件介绍
8.6.2利用1st0pt软件进行模型参数识别
8.7本章小结
参考文献
内容摘要
随着我国基础设施建设高速发展，西部地区水电建设项目的地下工程呈现出规模空前、工程地质条件复杂、大埋深和高地应力等特点。以二滩工程为例，高边墙地下洞室围岩由于具有高地应力低强度应力比特征，在开挖卸荷过程中诱发了围岩时效劈裂大变形的非线性力学行为。本研究采用模型试验、理论和数值模拟等综合分析方法揭示（时效）劈裂强度破坏条件和变形机制；通过开展高应力条件下真实岩石材料加卸荷试验和相似材料三维地质力学模型试验，探索时效损伤破裂特征，揭示围岩（时效）劈裂力学变化规律与演化机制；在现场监测、系统模型试验研究的基础上，通过断裂、损伤力学、流变力学和能量耗散等理论研究，建立反映高应力条件下硬脆性裂隙岩体卸荷（时效）损伤劈裂准则和本构模型，并提出模拟时效劈裂的数值分析方法，继而实现应用于工程实践的地下洞室围岩时效劈裂安全性的分析和评价方法。本研究将对深部水电工程地质学及岩体工程稳定学领域有重要的理论意义和实际工程应用价值。
本书可供水利、矿山等专业的科研工作者或相关专业的高等院校师生作为参考书。
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