深埋地下洞室高边墙围岩块体超低摩擦效应研究

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深部岩体所处的地质环境较为复杂,通常被看作是具有不同等级的尺寸自相似的块系岩体的组合,在动力的扰动作用下往往会表现出和浅部岩体截然不同的响应。超低摩擦效应是其中最为主要的动力特征科学现象。地下工程爆破开挖诱发超低摩擦效应,导致岩体的平衡约束条件被破坏,容易引发危险性的岩体冲击灾害,对工程施工设备和现场人员的安全构成威胁。本文研究了超低摩擦效应的相关特征,建立了地下洞室高边墙围岩块体的超低摩擦效应模型,从理论分析和数值模拟两个方面研究了爆破扰动诱发块体产生超低摩擦效应,分析了某些因素的影响,并将研究结果与实际的工程问题联系起来,开展了进一步的研究工作。本文的主要研究内容及结论如下:(1)结合块系岩体实验现象验证了显式动力有限元计算方法研究超低摩擦效应的可行性,建立了地下洞室边墙围岩块体的超低摩擦效应理论模型,从受力特征与能量的角度分析了块体受到爆破扰动时超低摩擦效应产生的内在机理。(2)建立了洞室边墙围岩块体的数值模型,研究了块体受到爆破扰动时的动力响应,通过分析块体产生的水平位移和受到的法向应力特征,进一步验证了超低摩擦效应的存在,并揭示其产生的机理是法向应力的重新分布和界面间动摩擦系数发生变化的共同作用。(3)研究了不同爆炸荷载、水平向和垂直向地应力以及块体尺度对超低摩擦效应的影响,分析了各因素改变时块体产生的水平残余位移、受到的法向应力以及自身变形特征的变化规律。当爆炸荷载和水平向地应力增大时,超低摩擦效应变得愈加明显,块体在水平方向上产生的残余位移逐渐增大;随着垂直向地应力的增大,超低摩擦效应逐渐减弱,水平残余位移逐渐减小;在相同量级的爆破扰动下,块体尺度越大,超低摩擦效应变得不明显。(4)针对爆破扰动诱发超低摩擦效应导致洞室围岩产生突发大变形进行了研究,以瀑布沟水电站地下厂房为背景,建立了单块体和两块体数值模型,研究了位移突变现象产生的机理。同时,通过分析两块体模型的计算结果发现,外侧的块体在受到扰动时产生的残余位移比内侧大,但均小于单块体模型中块体产生的残余位移,表明块体的数量也会对超低摩擦效应产生影响。
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