非连续结构对围岩的稳定性分析研究毕业论文(编辑修改稿)

非连续结构对围岩的稳定性分析研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

d 结构面间平均间距 (m) 平面裂隙率 AK 是指在单位面积上所有裂隙所占有岩石的面积总和，亦即： AtlKnl iiA  () 式中： il 第 i 条裂隙面长度 (m) it 第 i 条裂隙面的宽度 (m) A 被测量的岩石总面积 ( 2m ) 裂隙率愈大，表明岩石愈破碎、强度愈低透水性愈大，且易被风化产物所充填，形成软弱结构面，酿成工程隐患。 图 22 岩石裂 隙图 岩石在外力作用下处于破坏状态时的极限应力， 是岩石力学性质的主要属性质。 由于岩石材料的不确定性，所以极限应力并不是一个定值，它通常通过试验求得的。 在岩石力学的一般概念中，岩石的成分是岩块和岩体。 岩块是不连续的，是岩体的基本组成单元。 实验室试验用的岩样就是岩块。 岩体是指地质体的一部分。 在岩石和岩石经历了相同的演化史和地质环境，但它们的性质是不同的。 强度就是它们的主要区别点：岩块的强度主要取决于构成岩石的矿物和颗粒之间的联结力和微裂隙的影响；而对岩体强度中国矿业大学 2020 届本科生毕业论文 第 9 页 起主要作用的则是岩体中的结构面和构造特征。 变形和强度 是岩体两类的力学性质，本构关系来反映变形性质，强度准则来反映强度性质。 岩石材料破坏的形式有两种：断裂破坏和流动破坏（出现显著的塑性变形或流动现象）。 其中断裂破坏发生于应力达到强度极限，流动破坏发生于应力达到屈服极限。 岩石强度一般包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度，其中确定岩石工程稳定性的主要因素主要是抗剪强度和抗压强度。 在材料力学中有关于材料强度破坏决定性因素的各种假说，这些假说也被称为强度理论。 分别是： （ 1）解释材料强度理论 —— 脆性断裂的最大拉伸应力，拉伸应变理论 （ 2）塑性屈服强度理论 —— 最大剪应力，有效剪应力理论 但是，由于（岩面）材料的破坏，从微观颗粒脱离情况而言，不外远离、错开两种可能，物体破坏只有拉坏和剪坏两种。 由于岩石抗压不抗拉，所以材料力学中第一、二、三、四强度理论不适用。 岩石强度理论 —— 指岩石在某应力或应变条件下产生破坏的判据，主要分为主要有三种 : （ 1）库仑强度准则（ 2）莫尔强度理论（ 3）格里菲斯强度理论 围岩稳定性分析的弹性理论 将围岩近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，用弹性力学的基本理论来分析围岩的应力和位移分布。 巷道半径相对巷道长度很小，按平面应变问题考虑。 计算模型如图 23 所示： 图 23 含圆孔薄板双侧受压的力学模型 vh   () 可以将模型分解为两种模型的叠加， 如图 24 所示： v h m 中国矿业大学 2020 届本科生毕业论文 第 10 页 (a) (b) (c) 图 24 含圆孔薄板双侧受压的叠加计算模型 图 24 中（ b）图中 M 点的各应力分量 ,根据弹性理论为： 2222221111 () 边界条件： )(s i n2)()(0)()(c o s22)(000RbpRbRbppbrrbrrbrr () 设应力函数：  2c o s)(ln 222 FDrCrBrrA   () 根据边界条件解得应力函数为： ]2c o s)221(2[ l n2220222220  rRRrRrrpR  () 根据叠加原理得到 v 和 h 同时作 用时圆形巷道围岩重分布应力为： v v h  h M M M 中国矿业大学 2020 届本科生毕业论文 第 11 页 2s i n231212c o s31211212c o s43121121220440440220220440220rRrRrRrRrRrRrRVVVrr () 根据应力和应变的关系即物理方程（ ）和应变和位移的关系即几何方程（ ），解得位移的弹性解（ ）： rvrvurvrrururr11 () rmmerrmmmmemmrmmerEEE)1(2])1()1[(1])1()1[(122 () 2s i n22)1( 2s i n2212c o s22)1( 2c o s4221203402034023402020340202rRrRrErRrRrEvrRrrRrErRrRrrRrEuVhmemmVhmemVhVhmemmVhVhmem () 中国矿业大学 2020 届本科生毕业论文 第 12 页 图 25 含有空洞围岩应力分布图 当 r = 06R 时，  r 和原岩应力相差仅 %。 因此，一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为 06R。 在该范围以外，不受开挖影响，这一范围内的岩体就是常说的围岩，是有限元计算模型的边界范围。 断裂力学围岩稳定性分析的应用 断裂损伤力学的发展，是对经典连续介质力学的一个重要贡献。 它们是 把介质看成是存在许多缺陷和裂纹的复合结构体。 断裂力学的研究一般多限于宏观裂纹（裂纹尺寸多数在数毫米或数厘米以上）。 由裂纹前缘的应力和位移根据断裂因子判断裂纹的扩展及其开裂方向，损伤力学以微观裂纹为出发点。 它认为材料总是存在分布性缺陷，即所谓损伤。 损伤的成因和方式是多方面的，有初始损伤、弹塑性损伤、疲劳损伤、蠕变损伤，损伤作为一种“劣化因素”结合到弹、塑粘性介质中，作为宏观力学来考虑。 (1)线弹性断裂力学的基本理论 Griffith(格里菲斯 )断裂强度理论 Griffith 认为任何固体材 料其内部和表面总会存 在或形成或多或少、一定大小的裂纹。 固体的破坏是由于裂纹扩展的结果。 而裂纹不稳定扩展的条件是由裂纹扩展时所释放的弹性应变能和形成新表面所吸收的表面能之间的失稳现象所引起的。 他将含有裂纹的受力系统分为两类： ：物体在外力作用下产生弹性应变能，应变能并且被储存下来，如果物体受力出现裂纹现象或者裂纹扩展现象，则储存在物体内的弹性应变能将有一部分被释放出来或转化成其他形式的能量。 能量的关系是： 1.ise WWWEE  12 () 之后所具有的能量裂纹开始扩展一段时间—能量研究物体之前所具有的—外界补充给系统的能量—表面能裂纹新表面形成所需的—放的能量裂纹出现或扩展是所释—21EEWWWise 中国矿业大学 2020 届本科生毕业论文 第 13 页 则裂纹扩展前后的能量改变量： ise WWWEEK  21 () 设裂纹长度原来为 2a，则 ，稳定状态，临界状态不稳定状态，动能变化率大于零，000dadKdadKdadK () Griffith 通过实验假定，制造人工裂纹时和没有裂纹时，每单位厚度应变能之差值（释放能量）： 单位面积的表面能—每单位厚度表面能：rraWEaWse2222 () 在封闭系统中整个系统位能改变量 aErEaraWaWEaarWWWEEccccesc2024422212，则得时的应力为求导，并令其为零，这对长度 () c 也就是失稳的临界应力。 伊尔文理论 Griffith 理论和奥罗文理论都是以能量 作为衡量固体材料强度的标准，而伊尔文则主张用裂纹前缘区域应力场的强弱程度来判断固体的裂纹扩展和断裂以及固体的强度。 这样就考虑了应力集中对裂纹的影响，以下主要介绍伊尔文理论的计算方法。 裂纹的基本形式：伊尔文的线弹性断裂力学的基本观点，是位移的变形裂缝的概念来描述。 因而将裂纹分为以下三种形式如图 26 所示： 中国矿业大学 2020 届本科生毕业论文 第 14 页 图 26 裂纹三种基本模式 Ⅰ . 张开型（Ⅰ型）：由于张应力的作用而张开，特点是裂纹上下面位移是对称的。 Ⅱ . 滑开型（。