本文以瀑布沟水电站主厂房高边墙洞室为工程背景,开展高地应力条件下高边墙洞室开挖卸荷真三维地质力学模型试验,系统研究劈裂破坏现象的产生条件与影响因素;在地质力学模型试验研究的基础上,通过理论方法建立基于应变梯度的地下洞室劈裂破坏弹塑性损伤软化模型,根据复变函数构建高边墙洞室劈裂破坏解析分析方法,依托ABAQUS平台开发地下洞室劈裂破坏计算分析程序.通过模型试验、理论研究和和数值模拟,有效揭示出地下洞室劈裂破坏的产生条件与破坏机制.论文主要研究成果如下:(1)通过高地应力条件下高边墙洞室劈裂破坏真三维物理模型试验,精细模拟出地下洞室开挖卸荷出现的平行分层劈裂破坏现象,揭示地下洞室劈裂破坏的产生条件与影响因素,获得地下洞室围岩位移、应变和应力呈现波峰与波谷间隔分布的振荡性衰减变化规律.(2)通过岩石破坏过程的尺寸效应与应变梯度特征分析,建立含应变梯度的可描述岩石塑性硬化和应变软化的屈服函数,基于应变梯度和塑性损伤理论建立深部洞室劈裂破坏弹塑性损伤软化模型.(3)通过复变函数保角变换法获得由高边墙洞室外域到单位圆外域的映射函数,推导出相关位移场与应力场的复数表达形式,提出高边墙洞室劈裂破坏弹塑性解析分析方法,获得高地应力条件下高边墙洞室位移和应力的解析变化规律.(4)根据建立的劈裂破坏弹塑性损伤软化模型,提出隐式时间积分格式,构建高阶六面体单元并推导其高阶单元的形函数与刚度矩阵,提出地下洞室劈裂破坏的数值分析方法,并依托有限元软件ABAQUS开发相应的计算分析程序.(5)通过模型试验、理论分析和数值模拟,揭示出地下洞室的劈裂破坏机制,即:洞区初始最大主应力平行于洞轴方向且量值达到一定程度(0.21～0.7倍围岩单轴抗压强度)是高边墙洞室产生劈裂破坏的重要条件.当洞区平行于洞轴方向的初始最大主应力量值超过0.7倍围岩单轴抗压强度时,高边墙洞室将由劈裂破坏向分区破裂转化.开挖卸荷高边墙洞壁应力出现波峰与波谷间隔交替的振荡变化是引起劈裂破坏的根本力学成因.研究分析表明:弄清劈裂破坏范围并合理优化洞室布局对保证高边墙洞室施工和运行安全十分重要.
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