基于离散元方法高地应力隧道围岩的破坏特征研究

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在岩石工程不断向深部发展的过程中,各种地质灾害频发,造成了严重的生命财产损失,因此,深部岩体开挖卸荷条件下围岩损伤破坏机制的研究非常重要。本文依托锦屏二级水电站深埋引水隧洞工程,采用颗粒流数值软件PFC2D,从宏细观角度对高地应力条件下硐室围岩破坏机理进行了研究。
  首先基于颗粒离散元理论编写了数值试验程序,采用“试错法”标定细观参数,并与粗砂岩单轴压缩试验进行对比,验证了数值试验程序的正确性。在使用过程中发现目前普遍采用的“试错法”存在一定的缺陷,因此本文采用正交试验设计方法对平行黏结模型细观参数标定方法进行了研究。利用多因素方差分析确定了模型细观参数对宏观力学指标的影响程度,进而利用回归分析方法建立了宏细观力学参数的对应关系。在此基础上提出了与岩石弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、起裂强度、拉压强度比及摩擦角相匹配的快速细观参数确定方法。通过与锦屏大理岩力学试验对比,发现采用本文标定方法建立的数值模型的宏观力学参数以及破坏形式均与室内试验结果相近,证明了标定方法的可行性。其次,通过对完整大理岩数值模型中预制孔洞,研究其在不同围压条件下的破坏特征。研究结果表明,孔洞的存在削弱了大理岩的强度,围压的大小会影响裂纹的起裂位置和扩展方向,并最终影响试样的破坏形式。最后,在数值试验的基础上进一步拓展,建立了工程尺度的锦屏二级水电站引水隧洞数值模型,通过设置不同的地应力条件,对圆形和直墙拱形隧道的围岩损伤破坏特征进行了研究。研究结果表明,围岩主要存在拉断裂和远场组合破坏、V形破坏以及环形破坏三种破坏形式,具体破坏形式主要与侧压系数有关。同时,通过对颗粒黏结情况进行判断,实现了对围岩破坏区分区现象模拟。研究结果可以为深埋隧道工程建设提供指导。
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