卸荷条件下岩石破坏宏细观机理与地下工程设计计算方法研究

【摘要】本论文包含两个部分：一是针对地下工程开挖的复杂加、卸荷过程，尤其是卸荷过程，弄清卸荷路径下的岩石破坏机理，重点研究不同卸荷路径下岩石宏细观破坏机理，包括：不同卸荷条件破坏过程中能量演化规律；岩石卸荷破坏过程中声发射特征演化规律与量化分析；基于颗粒流方法岩石卸荷破坏过程数值模拟等。二是针对岩石地铁工程设计计算的实际问题，应用数值极限分析方法，开展对岩石地铁工程的围岩分级与设计计算方法的研究，包括：改进岩石地铁工程围岩分级的基本质量指标；考虑跨度对围岩分级的影响；初衬混凝土的抗剪强度；岩石地铁工程设计计算方法等。论文的研究成果如下：（1）采用能量原理自编程序，研究不同卸荷条件下大理岩卸荷破坏过程中的能量演化规律，取得以下主要研究成果：岩样卸荷破坏过程的轴向吸收能量曲线非线性变化，经历了缓慢增长-快速增长-缓慢增长-释放的演化过程。总能量曲线经历了缓慢增长-快速增长-缓慢减小-释放等阶段。不同卸荷应力路径对破坏过程中能量演化规律的影响主要表现在屈服弱化阶段。围压高的岩样消耗更多的能量，轴向能量曲线增长速率增加；卸荷速率越低，轴向能量增长速率升高，卸荷点处轴向能量曲线转折更明显；卸荷水平接近岩样承载能力峰值时，轴向能量增长速率增大，总能量曲线负向增长速率高，岩样破坏越剧烈。（2）研究不同卸荷条件下岩样破坏过程中的声发射特征演化规律，采用分形的方法自编程序进一步量化声发射特征，取得以下主要研究成果：不同卸荷路径试验过程中，声发射事件计数率最大值都出现在岩样破坏处，达到最大值前，岩样均会出现一段声发射相对平静期。围压越高，岩样的声发射活动水平越高，声发射相对平静期会缩短，声发射事件最大值也增加；卸荷速率越高，相对平静期的振铃计数率越高，持续时间越短；越接近岩样承载力峰值卸荷，岩样破坏前的声发射事件相对平静期持续时间越短。岩样破坏前存在声发射分维值较低区域，破坏处附近的分维值，加轴压、卸围压路径＞恒轴压、卸围压路径＞常规三轴路径。（3）基于颗粒流方法，利用FISH语言实现大理岩加、卸荷破坏过程数值模拟，从细观角度有利地补充宏观的室内试验分析，其创新点为：通过FISH语言设计不同的卸荷应力路径方案，有效实现岩样复杂卸荷试验的数值模拟，研究卸荷破坏过程中摩擦能、动能、黏结能与应变能等细观能量与应力路径之间的联系，破坏过程中细观裂纹数与岩石破坏前兆的关系，以及岩石微观裂纹产生、发展与贯通的过程。通过不同卸荷应力路径试验模拟分析，给出细观参数与岩样宏观强度参数之间的非线性关系；围压主要影响颗粒间摩擦滑动引起的摩擦能，进而改变试样的破坏形式。卸荷速率越高，试样内部裂纹发展越不充分，黏结能越少；试样破坏时颗粒运动引起的动能越大。卸荷破坏过程是由压破坏形成贯通剪切面，与拉剪破坏共同作用引起试样破坏。压破坏剪切面都是由破坏面两端向中间发展，逐渐贯通，试样内部主要破坏形式都表征为压力引起的损伤破坏，拉剪破坏伴随压破坏，在压破坏裂纹尖端有集中的趋势。（4）从细观角度分析卸荷破坏过程，并通过实例验证围岩卸荷分析的可行性，其主要结论：经典强度准则中Mogi-Coulomb准则相对适合加轴压、卸围压路径下的试验分析；将裂纹考虑成椭圆形，从细观力学和单连通域的解析函数出发分析卸荷路径下的强度准则；从单元体裂纹生成的复合应力状态出发，建立卸荷过程中的应力-应变关系。（5）在国标《工程岩体分级标准》和《地下工程围岩稳定分析与设计理论》一书对国标改进意见的基础上，提出岩石地铁工程围岩分级设想，其主要结论：一是对围岩分级表中围岩定性特征进行了改进和调整，改进了各级围岩基本质量BQ值，使定性分级和定量分级协调一致，发展与完善了围岩岩体基本质量标准。二是在围岩分级中反映了地下工程跨度对围岩稳定性的影响，提出按岩体质量和工程跨度为基准的围岩分级思想，结合地铁工程特点，给出区间隧道与车站隧道的亚级分级，量化了亚级的基本质量指标。采用了由安全系数反映围岩自稳性的量化指标和通过反算得到各级围岩物理力学参数。对重庆轨道1#、6#线的岩体物理力学参数和围岩分级进行了调研，采用本文提出的分级方法与国标相比：区间隧道砂岩由III、IV级围岩提升为II、III级围岩；区间隧道砂质泥岩有1/3的Ⅳ级围岩提升为Ⅲ级围岩；车站隧道砂岩约有80%的IV级围岩提升为III级围岩。（6）采用数值极限分析新方法发展与完善了地铁隧道的设计计算方法，提出了合理的设计计算参数和初衬二衬的计算方法。其主要结论是：一是依据现有试验设备条件，提出了将直剪试验与单轴抗压试验相结合的混凝土剪切试验方法，从而确定不同强度等级混凝土剪切强度指标c、φ值；二是依据摩尔库伦公式和数值方法，提出混凝土剪切强度和抗压强度之间的关系，验证了混凝土剪切强度试验结果的可靠性，并将混凝土强度的标准值与设计值换算成剪切强度的标准值与设计值。结合实例，讨论了荷载释放量的确定、不同深浅埋分界标准的适用范围、应力释放后的围岩安全系数、初衬围岩与二衬结构的安全系数计算过程。最后对重庆地铁、青岛地铁车站进行的计算分析表明，Ⅲ级围岩以上可比现行衬砌厚度约减少30%，而Ⅳ、Ⅴ级围岩初衬厚度或强度尚需适当增加，以确保施工安全。
【作者】丛宇；
【导师】郑颖人；王在泉；
【作者基本信息】青岛理工大学，结构工程，2014，博士
【关键词】卸荷破坏；能量；声发射；分形；颗粒流；混凝土抗剪强度；围岩分级；隧道设计计算方法；

【参考文献】
[1]井赵斌.云雾山退化草地生态系统恢复与调控机理[D].西北农林科技大学,草业科学,2014,博士.
[2]吴桐.基于光伏发电技术的监控系统研发与应用[D].沈阳工业大学,电力系统及其自动化,2013,硕士.
[3]杨艳君.施肥和密度对张杂谷5号生理特性和产量构成的影响[D].山西农业大学,作物栽培与耕作学,2013,博士.
[4]周圣平.中国—欧盟关系的发展空间及其未来走向的若干思考[D].湖南师范大学,科学社会主义与国际共产主义运动,2004,硕士.
[5]谢志强,李志敏,郝淑珍,谭光宇.工序间存在零等待约束的复杂产品调度研究[J].自动化学报,2009,07:983-989.
[6]吴楠.国库集中支付与地质事业单位管理研究[D].首都经济贸易大学,会计学,2013,硕士.
[7]孙艳红.我国基层公务员公共服务能力建设研究[D].吉林大学,行政管理,2013,硕士.
[8]孟德阳.房企换活法[J].英才,2012,07:58-59.
[9]任远.方向选择性模型及其在图像处理中的应用[D].复旦大学,计算机软件与理论,2013,博士.
[10]高连杰.构建我国新型养老保险体系[D].北京交通大学,2012.
[11]黄伟涛.分子布尔逻辑和模糊逻辑系统的研究及其在石墨烯智能生化分析中的应用[D].西南大学,2014.
[12]陈玮琳.基于可持续发展理论的农村经济绿色核算研究[D].中南林业科技大学,农村与区域发展,2014,硕士.
[13]袁志云,孔令洪,王成林.频谱分解技术在储层预测中的应用[J].石油地球物理勘探,2006,S1:11-15+142-143.
[14]张嵎桐.基于反馈机制的软实时系统任务调度算法研究[D].湖南大学,软件工程,2011,硕士.
[15]忻铁朕,胡光祥,项宝余.上海铁路局建设计划“九五”回顾和“十五”展望[J].上海铁道科技.2001(02)
[16]尧然.旱生香茶菜素B诱导人食管鳞癌细胞凋亡及G_2/M期阻滞机制的研究[D].北京协和医学院,肿瘤学,2014,博士.
[17]郑永军.电磁炉电气控制部分的设计[D].浙江大学,控制理论与控制工程,2004,硕士.
[18]关晓.基于设计结构矩阵的工程人员辅助优化系统[D].大连理工大学,工程力学,2013,硕士.
[19]李小娇.面向对外汉语教学的频度副词习得研究[D].西北师范大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[20]王冰.实时三维经食道超声心动图及斑点追踪技术在二尖瓣成形术中的应用研究[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[21]马建伟.数字家庭网络管理系统的设计与实现[D].西安电子科技大学,电子与通信工程,2012,硕士.
[22]王晶晶.中小学电子书包推广应用研究[D].河北大学,出版,2014,硕士.
[23]赵馨鑫.长大公路隧道沥青路面铺装环保施工技术研究[D].重庆交通大学,材料学,2012,硕士.
[24]于小赛.《莫斯凯家族》中辛格对斯宾诺莎的继承与批判[D].广东外语外贸大学,英语语言文学,2013,硕士.
[25]马宝联.波浪与开孔直墙式防波堤的相互作用[D].大连理工大学,港口、海岸及近海工程,2004,硕士.
[26]邢妍.石墨烯/聚合物复合材料的制备、结构与性能的研究[D].上海交通大学,2014.
[27]朱嘉宝.内皮素-1小干扰RNA抑制醛固酮诱导的心肌纤维化[D].河北医科大学,病理学与病理生理学,2014,硕士.
[28]王方.灾难电影的艺术再现价值[D].河北大学,艺术学,2014,硕士.
[29]刘丽慧.金黄色葡萄球菌毒力因子PSM-α对中性粒细胞功能影响的研究[D].吉林大学,基础兽医学,2013,硕士.
[30]余超智,黎德龙,李伟平,张豫鹏,潘春旭.石墨烯的能带调控及其应用的研究进展[J].功能材料,2014,12:12033-12041.
[31]董俊杰.基于Matlab的北斗二代B1频点软件接收机研究与实现[D].长安大学,信号与信息处理,2014,硕士.
[32]刘晶波,王振宇,杜修力,杜义欣.波动问题中的三维时域粘弹性人工边界[J].工程力学,2005,06:46-51.
[33]刘健.基于双馈电机变速恒频风力发电系统的仿真与控制器设计[D].哈尔滨理工大学,电力电子与电力传动,2012,硕士.
[34]储著华.清热化痰益气活血法治疗慢性阻塞性肺疾病急性加重期临床研究[D].贵阳中医学院,中西医结合临床,2012,硕士.
[35]蒋建春,卿斯汉.网络攻击及其防范[J].中国信息导报,2001,11:42-45.
[36]周小甜.传播学视角下的城市景观构建[D].浙江大学,传播学,2013,硕士.
[37]贾成海.营口市高新技术园区发展支持体系研究[D].大连理工大学,工商管理,2003,硕士.
[38]刘大刚.公路隧道施工阶段岩体围岩亚级分级研究[D].西南交通大学,2007.
[39]朱斌斌,孙丽慧,郑裕国.基于SVM-PSO的羰基还原酶产酶条件优化[J].食品与发酵工业,2014,02:127-131.
[40]李剑.杭州市区流动人口中妇女儿童卫生保健服务的现状研究[D].浙江大学,社会医学与卫生事业管理,2004,硕士.
[41]赵杰.科学知识社会学中的反身性问题研究[D].内蒙古师范大学,科学技术哲学,2012,硕士.
[42]宋毅.基于遗传算法的生产调度方法及其软件实现[D].浙江工业大学,2003.
[43]周小棠.巴塞罗那足球俱乐部中国市场的品牌战略研究[D].北京体育大学,体育人文社会学,2013,硕士.
[44]任仲博.伪满时期林业政策研究[D].东北师范大学,中国近现代史,2012,硕士.
[45]马力利.刘德海编曲《浔阳月夜》演奏技法探析[D].中国音乐学院,音乐学,2012,硕士.
[46]李敏,何桦,顾全,姜彬,施志良.基于调度远动综合培训的一体化仿真系统设计[J].电力系统自动化,2008,15:41-44.
[47]彭学杰.论我国资源型城市转型发展中的问题与对策[D].沈阳师范大学,马克思主义基本原理,2014,硕士.
[48]张跃银.临床医学专业构建综合能力本位教学模式的研究[D].西南师范大学,课程与教学论,2004,硕士.
[49]戴肖东.猴头菌麦角甾醇高产菌株筛选及代谢调控的研究[D].东北林业大学,森林生物工程,2014,博士.
[50]颜静.城市小学生课外活动现状的研究[D].湖南师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.