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原文传递花岗岩宏细观破裂损伤特征及隧道工程应用

论文题名：	花岗岩宏细观破裂损伤特征及隧道工程应用
关键词：	隧道工程;花岗岩;破裂损伤;能量积聚;能量耗散
摘要：	近年来，我国在水利和交通方面地下工程的不断建设下，愈来愈多的地下工程在施工建设过程中发生失稳破坏，花岗岩作为隧道、地下硐室、大坝等岩体结构工程建造过程中常见的岩石类型。不同地区花岗岩的矿物组成普遍存在差异性，矿物力学性质也具有不均匀性，因此针对花岗岩矿物组成的差异性和矿物力学性质的不均匀性，对某一区域的花岗岩进行定性分析，对研究该区域地下工程的稳定性具有重要的意义。本文以室内力学试验和X射线衍射试验为基础，建立花岗岩的FLAC3D-PFC3D耦合三维仿真模型，对花岗岩数值模型不同围压下的宏细观破裂损伤和能量积聚耗散规律进行研究，并推导出基于能量考虑围压的岩石的破坏失效判据。通过结合实际工程，建立FLAC3D隧道数值模型对岩石的破坏失效判据进行验证，并基于以上研究，建立FLAC3D-PFC3D耦合隧道数值模型，对隧道围岩的宏细观破裂损伤进行分析。研究的主要工作和结论如下: 　　(1)基于花岗岩的矿物组成成分建立三维耦合数值模型，并对离散元的细观参数进行参数敏感性分析，结合室内力学试验对花岗岩数值模型的细观参数进行标定。通过对花岗岩数值模型的单轴压缩试验的黏结破坏发育过程可以发现，在试样峰值强度的65％左右，内部裂纹开始产生，并沿强度较弱的高岭石、云母颗粒周围快速发育，逐渐形成从岩样的一角至对立角的主贯通X型裂隙和一些复杂的次生裂隙。　　(2)通过对不同围压下花岗岩的宏细观破裂损伤特征进行分析，不同围压下花岗岩的破坏过程相似，围压的增加会增强花岗岩抵抗破坏的能力，并且围压的增加会使岩石的破坏形式从脆性破坏向塑性破坏转变。随着围压的增加，试样破坏时内部黏结破坏数目越来越多，其中，张拉裂纹占比逐渐降低，剪切裂纹占比逐渐增加，岩石的破坏表现出明显的剪切破坏。试样裂纹的不稳定发育阶段也随围压的增大而延后，围压的存在抑制了花岗岩的损伤破坏过程。　　(3)结合不同围压条件下能量积聚损耗特征，提取各特征应力点能量值，通过拟合得到弹性变形能和耗散变形能的特征值函数，得到围压对岩石弹性变形能密度的增量影响要大于耗散变形能，并根据能量的变化规律，结合岩石单元内部积聚的弹性变形能公式，推导得到基于能量的岩石损伤破坏系数K,并以此损伤破坏系数作为花岗岩的破坏失效判据。　　(4)在工程应用研究中，通过FLAC3D内置的FISH语言进行编译，提取FLAC3D模型中每个单元的计算数据，将岩石损伤破坏系数K带入到FLAC3D的数值模型中，得到隧道围岩的损伤云图。隧道采用台阶法留核心土开挖后的结果表明，隧道拱顶和仰拱处相对较安全，拱肩、边墙和拱脚处损伤较大，并通过将隧道围岩的损伤云图与围岩塑性区进行比较，证明了花岗岩的破坏失效判据能够更加安全地预测围岩损伤，并且能够更好地展现隧道围岩的损伤程度和范围。　　(5)基于连续-非连续耦合数值模拟方法建立隧道数值模型，对隧道围岩的宏细观破裂损伤进行分析，研究发现，隧道采用台阶法留核心土开挖后，隧道围岩的黏结损伤破坏首先会在靠近隧道临空面的强度较弱的高岭石、云母颗粒周围产生，并沿隧道拱肩和拱脚向围岩的深部扩展。FLAC3D-PFC3D耦合可以更好地模拟岩石的非均匀性特点，展现围岩的宏细观结构损伤。最后，通过对两种数值模拟计算结果的对比发现，两种数值模拟方法隧道的变形和损伤区域相似，验证了FLAC3D-PFC3D耦合的准确性，并根据隧道施工现场围岩发生的突涌水链动灾害验证了数值模拟结果的合理性。
作者：	刘效智
专业：	土木水利
导师：	陈云娟;闫甫
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2023