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原文传递高应力高水压下砂岩加卸荷力学特性及其对深埋隧道稳定性影响研究

论文题名：	高应力高水压下砂岩加卸荷力学特性及其对深埋隧道稳定性影响研究
关键词：	砂岩卸荷;力学特性;深埋隧道;稳定性分析
摘要：	随着我国交通、大型水电工程的大力建设，煤矿资源的纵深开采，高应力高水压条件下的地下工程安全施工问题日益突出。在高应力高水压作用下岩石的力学性质与浅层有较大不同。此外，深部地下工程开挖产生的卸荷效应与常规加载也有较大区别，而相关研究稍显欠缺。基于此，本文在前人研究的基础上，采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，系统的研究了砂岩在高应力高水压作用下的卸荷力学特性、渗流特性、能量转化效应等，在此基础上推导了本构模型，并将建立的卸荷本构模型进行FLAC3D二次开发，对依托工程展开了数值研究，主要研究内容和成果如下：　　①利用“岩石多场耦合三轴仪”对砂岩进行了自然与饱和状态下的单轴、三轴压缩试验，并对高应力高水压下砂岩加、卸载三轴试验的力学特性等展开研究等。试验结果表明：在同一初始围压条件下，初始卸荷水平越高，围压降低的越小，岩样达到破坏所经历的卸围压过程越短。随初始卸荷水平的提高，粘聚力 c呈指数关系增长，摩擦角?呈多项式关系减小。卸围压的两个阶段，侧向应变增量3??都比轴向应变增量1??大，表现为明显的侧向扩容。扩容指标Id与围压呈幂函数型关系，与初始卸荷水平呈二次函数关系。　　②对于高应力高水压下的三轴卸荷试验，初始卸荷水平n一定时，随着水压p的增加，卸荷极限强度的降低呈现先快后慢的规律，岩样更容易发生破坏，脆性特征更明显，损伤变量ω也呈增加趋势；当水压p一定时，随着n的增大，卸荷极限强度线性增大，统一围压降参数?线性降低，损伤变量ω也减少，且n从0.9到1的过程中，ω降低更明显。综合初始卸荷水平n和水压p的影响，对摩擦角和粘聚力进行了二元函数拟合，利用该拟合公式可以预测不同n、p条件下的粘聚力和摩擦角的值，有一定工程意义。并基于试验结果的分析，对不同n、p作用下的砂岩Mohr-Coulomb准则表达式进行了修正。　　③基于高应力高水压下砂岩的三轴加载试验结果，提出了一种加载条件下砂岩改进的Duncan-Chang本构模型，并对该模型的参数m、n进行了敏感性分析，利用砂岩的三轴压缩试验结果对改进Duncan-Chang本构模型进行了合理性验证。　　④从室内三轴卸荷试验出发，基于修正的莫尔-库伦强度准则，建立了符合卸荷条件下的四线性弹塑性模型，并分段建立了适应的本构关系。且综合分析水压p和初始卸荷水平 n对屈服准则参数的影响，并对其进行二元函数式分析。最后利用卸荷条件下的试验结果与理论模型进行了验证，发现与试验结果吻合良好。　　⑤推导了砂岩卸荷条件下非线性弹塑性本构模型的表达式，依托FLAC3D软件良好的二次开发平台条件，利用V++6.0程序实现了高应力高水压条件下砂岩卸荷本构模型的二次开发，编写了该模型的动态链接计算程序。并通过试验结果验证了二次开发程序的合理性和正确性。　　⑥利用砂岩卸荷本构模型二次开发计算程序对某深埋高水压隧道的稳定性进行了研究，探讨了洞周围岩位移、应力、塑性区的分布规律，并分析了不同水压力和不同地应力对深埋隧道稳定性的影响规律。
作者：	刘俊
专业：	土木工程
导师：	刘新荣
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文