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原文传递考虑三维层理效应的灰岩抗拉力学特性研究

论文题名：	考虑三维层理效应的灰岩抗拉力学特性研究
关键词：	隧道围岩;含层理厚层灰岩;抗拉力学;破坏机理;三维层理效应
摘要：	抗拉强度是岩体最弱的强度性质之一，岩质边坡或地下洞室开挖卸荷产生的受拉区分布范围判断及稳定控制常常是工程稳定的关键。层理结构岩体在荷载作用下的变形破坏与层理面的三维空间产出状态密切相关，强度和变形性质呈现出明显的各向异性。随着主应力方向与层理面夹角的变化，岩体张拉裂纹的萌生、扩展以及贯通既可以发生在岩块，也可以发生在层间，因此开展层理结构岩体的抗拉力学各向异性研究，准确了解岩体内部结构在荷载作用下的受力状态及变形破坏机理，对于保证岩体工程的稳定性至关重要。以桐梓隧道某标段背斜核部高地应力段为工程依托，以含层理厚层灰岩为研究对象，巴西劈裂试验为手段，研究考虑不同层理倾向、倾角组合条件下灰岩的抗拉力学特性及破坏机理，在此基础上，结合有限差分数值模拟方法，确定含层理灰岩的极限拉应变值，基于试验过程中声发射信号值，对拉裂损伤参数进行定义，并建立拉裂判据，并应用于隧道工程中，对高应力段背斜两翼围岩应力、位移及损伤区分布进行分析。主要内容及成果如下：　　（1）对层理灰岩进行岩石成分偏光显微镜矿物成分鉴定，层理的抗拉强度较基质低，造成力学参数具有明显各向异性特征；制备不同层理倾向 φ（φ=0°、30°、45°、60°、90°）、倾角θ（θ=0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°）组合的灰岩巴西圆盘标准试样，开展室内巴西劈裂试验，得出不同倾向、倾角层理灰岩的抗拉力学特性（抗拉强度、拉伸模量、最大主应变）及破坏模式（贯穿层理面的拉伸破坏、拉-剪复合破坏和沿层理拉伸破坏）呈现明显各向异性特征；结合岩石声发射试验，通过对试验全过程得声发射信号进行采集，得出了抗拉力学参数随层理倾向倾角角度变化而呈现得各向异性规律。　　（2）运用FLAC3D有限差分软件，并与遍布节理模型相结合，进行巴西劈裂数值试验，确定不同倾向倾角层理灰岩的最大主应力、最大主应变及位移矢量呈三维空间分布，基于极限分析法，以层理灰岩中位移（或应变）缓增不收敛之间的突变点为判别拉裂的临界条件，确定不同倾向倾角层理灰岩的极限拉伸应变。　　（3）基于岩石微元强度的Weibull分布及Lemaitre应变等效原理，结合声发射试验过程中振铃计数确定损伤变量，推导损伤变量随最大主应变增长的演化方程，得出损伤变量随累计应变的增长而增大，建立基于极限拉应变的拉裂判别准则及拉裂损伤应力的计算方法。通过FLAC3D软件内嵌FISH语言的二次开发，建立了岩石在受拉过程中的动态损伤模型，发现岩石在拉伸过程中的破坏形态与塑性区紧密相关，并随岩石层理倾向倾角角度的变化而变化。　　（4）将考虑层理三维效应的极限拉应变损伤判据及遍布节理模型应用到桐梓隧道某标段背斜核部高地应力段，运用Midas GTS NX和FLAC3D数值软件建立反映地形地貌、地质构造及岩体结构特征的三维数值模型。采用三台阶法施工，设计五种不同台阶高度开挖方案，对比得出方案四（上台阶 0.45H,中台阶 0.35H，下台阶 0.2H）最优。对方案四进行支护措施，分析隧道围岩应力、位移及损伤区分布，经对比得出优化施工工法及建议，即在施工过程中需要穿过单斜岩层时，应尽量使隧道掘进方向与岩层倾向一致，更有利于开挖后围岩稳定。　　综上，本文采用室内试验及数值模拟方法对含层理灰岩的三维抗拉效应进行研究，建立了极限拉应变损伤判据，研究结果可为隧道工程开挖卸荷拉裂范围判别提供理论指导，为隧道围岩稳定性分析提供重要参考。
作者：	刘博
专业：	资源与环境
导师：	左双英
授予学位：	硕士
授予学位单位：	贵州大学
学位年度：	2023