地下洞室层状围岩卸荷损伤特性及失稳模型研究

In view of the presence with layered rock mass widely existed in the large underground engineering and lack of enough research for anisotropic damaged characteristic, damaged mechanism and possible failure modes are studied around the underground caverns in laminated rock mass by means of geological surveys, laborary experiments, theoretical analysis and numerical simulation technology. According to a series of reaction of acoustic emission systems to generation, extension, accumulation of cracking in the uniaxial and triaxial compression tests, the anisotropic damaged evolution equation and the corresponding damaged criterions of layered rock mass will be derived based on the concept of damage proposed by Frantziskt and Desai.The influenced law of the geological level and excavated unloading damage to strength index and deformation properties of rock mass will be analyzed. the three-dimensional nonlinear analysis method of surrounding stability in large underground caverns in layered rock mass is studied by numerical simulation.In simulation，the geo-physical model and the FEM implicit model will be set. The anisotropic elastoplastic damaged constitutive models and the corresponding yield criterions under a varity of failure modes for layered rock mass are derived and will make a second development in commercial software platform FLAC3D.The model and program will be used in the calculation of the practical underground engineering of Mamaya hydropower station and will be validated by monitoring data. These research can explore the impact of the damage to the physical and mechanical parameters and stress on rock and reveal the law of anisotropic damage of layered underground excavation and deformation, failure mechanisms. The result will provide some theoretical guidance to the safe construction and normal operation of underground engineering.

针对自然界层状岩体的广泛存在及各向异性损伤应用研究的不足，采用地质调查、室内试验、理论分析、数值模拟等手段，对层状岩体中的地下洞室开挖卸荷损伤特性及可能产生的破坏模式进行研究。通过室内岩体三轴压缩试验，根据声发射系统对裂纹发生、扩展、聚集等一系列过程的反应，基于Frantziskt和Desai损伤概念，推导层状岩体各向异性损伤演化方程及损伤判据；分析地质层面、开挖卸荷损伤对岩体强度、变形性质的影响规律。通过数值模拟技术，建立地质结构面"隐式"数值分析模型；结合试验中的各种破坏模式，推导层状岩体各向异性弹塑性损伤本构模型和屈服准则，并在FLAC3D商业软件平台上进行二次开发，应用于北盘江马马崖水电站地下洞室群开挖计算中，以工程监测数据进行验证。本研究探讨层状地下洞室开挖卸荷围岩各向异性损伤规律、分布范围以及变形机制，研究结果可以为层状岩体地下洞室的安全建设与正常运营提供理论指导。

贵州省主要岩石类型为沉积岩，表现出与均质材料不同的力学特性。根据层状岩体的力学行为和变形破坏机制，建立可以反映各向异性损伤的层状岩体弹塑性模型，实现了在FLAC3D自定义本构模型预留接口上的二次开发，并应用于实际工程中。. 主要内容包括5个方面：（1）通过现场工程地质调查、室内单轴压缩试验、三点弯曲试验、巴西劈裂试验、直接剪切试验，完成了层状岩体力学参数（变形和强度）测试，分析了结构面产状对层状岩体力学性质的影响规律。（2）基于受压过程中岩体强度服从Weibull分布，采用声发射振铃计数推导岩石损伤演化方程，分别得出损伤变量随累计应变、层面倾角及破坏模式的变化规律，推导各向异性损伤弹性矩阵。（3）针对层状岩体的各向异性特征，将岩体的破坏形式分为层间破坏（层间拉裂、层面滑移、弯曲破坏）和岩块破坏（岩块剪切、岩块拉裂），分别对每一种破坏模式建立了各自的判别方法和屈服准则，根据塑性流动正交法则推导了相应的应力修正迭代计算方法。 （4）不同破坏模式本构模型用VC++程序语言进行二次开发，形成动态链接库文件*.DLL嵌入到FLAC3D主程序；通过单轴压缩数值试验、三轴压缩数值试验、理想边坡模型、理想圆洞模型对自定义的层状岩体各向异性损伤本构模型进行模拟，分析了层面倾角和围压对层状岩体力学行为的影响，验证了模型的正确性及精度。（5）以水工隧道、公路隧道和超深基坑为工程实例，建立三维数值分析模型，基于分层分步开挖，研究层状岩体地下工程动态开挖围岩各向异性损伤特性、演化规律及变形破坏机理，并与现场监测数据进行对比。计算结果表明层面方位对围岩破坏模式和塑性区扩展方向起到了控制作用，在支护设计中应根据岩层产状有针对性的进行重点加固。. 层状岩体各向异性本构模型模拟的是地下工程开挖后围岩渐进性破坏的过程。从而使计算出的结果更加接近围岩实际的受力与变形情况，为地下工程地的安全建设与正常运营提供理论指导。