09年岩土获奖优秀博士论文的答辩ppt

1、山东大学山东大学 学生：李晓静学生：李晓静 导师：朱维申导师：朱维申 教授教授 深埋洞室劈裂破坏形成机理的深埋洞室劈裂破坏形成机理的 试验和理论研究试验和理论研究 2007.5.28 劈裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 洞室劈裂破坏判据和位移预测分析法洞室劈裂破坏判据和位移预测分析法 劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析 劈裂破坏的室内试验研究劈裂破坏的室内试验研究 文献综述文献综述 结论与展望结论与展望 文献综述与主要研究内容文献综述与主要研究内容 v劈裂破坏现象 主 厂 房 下 游 边 墙 主 变 室 上 游 边 墙 劈裂裂缝 劈裂裂缝 深深 埋埋

2、 高地应力高地应力 脆脆 性性 文献综述与主要研究内容文献综述与主要研究内容 v 国内外研究现状 v 裂隙扩展 二维、三维、试验为主。 Horri, Brace, Hoek, Shen及国内朱维申，唐春安， 任伟忠等采用预制裂纹或数值分析的方法了解裂纹扩 展的方向及贯通模式等。有专家指出，在单轴或低侧 限压缩状态下裂纹易沿着压缩方向扩展。缺陷：仅现 象描述，未推广到工程实际中。 文献综述与主要研究内容文献综述与主要研究内容 深部岩体 南非开展最早，河满潮等提出深部确切定义。 Karman、Heard、Andreev，Griffith，Lajtai及谢和平， 李夕兵、李天斌、尤明庆等对高应力下的

3、脆性破坏特 征进行研究。缺陷：应用到工程的判据主要以应力为 标准。 能量耗散 能量等效模型、能量守恒、煤矿、岩爆。 v试图将裂纹扩展、岩石脆性特征及其能量原理相结合 来解释工程中出现的劈裂现象。 文献综述与主要研究内容文献综述与主要研究内容 常规室内试验和类岩石材料模拟洞室开挖试验研究常规室内试验和类岩石材料模拟洞室开挖试验研究 强度、变形、监测、加卸载强度、变形、监测、加卸载 基于能量耗散理论，微观和宏观劈裂破坏机理研究基于能量耗散理论，微观和宏观劈裂破坏机理研究 断裂韧度、裂纹数、裂纹扩展断裂韧度、裂纹数、裂纹扩展阶段、直线型裂纹组、阶段、直线型裂纹组、 劈裂破坏机理、薄板弯曲劈裂破坏机理

4、、薄板弯曲 洞室劈裂破坏判据和位移预测分析法洞室劈裂破坏判据和位移预测分析法 裂纹密度、裂纹张开位移、实际工程与室内试验裂纹密度、裂纹张开位移、实际工程与室内试验 劈裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 弹性能释放、破损区、判据和位移公式应用、劈裂现象弹性能释放、破损区、判据和位移公式应用、劈裂现象 研究内容及创新 劈裂破坏的室内试验研究劈裂破坏的室内试验研究 v单轴、常规三轴试验 试件尺寸： 50100mm 单轴、常规三轴压缩试验应力-轴向应变曲线 围压效应 强度 扩容 破坏模式 劈裂破坏的室内试验研究劈裂破坏的室内试验研究 加卸载加卸载 Text 不同应力阶段非稳定裂纹扩展阶段 变形恢复量、

5、强度、能量、扩容 劈裂破坏的室内试验研究劈裂破坏的室内试验研究 v 类岩石材料模拟洞室开挖 类岩石材料的选取（砂浆） 参数：弹模、压拉比、泊松比 尺寸：120mm120mm240mm 三轴加卸载装置及工作原理 劈裂破坏的室内试验研究劈裂破坏的室内试验研究 试验过程中的应力应变曲线 台阶状 劈裂时刻 应变 加、卸载 薄板 V型破坏 劈裂破坏的室内试验研究劈裂破坏的室内试验研究 10MPa卸载 3 不同应力段声发射特征 破坏阶段（0.3、0.8） 劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析 裂纹扩展五裂纹扩展五 阶段阶段 劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析劈裂

6、裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析 etc Ws 动能、热能等动能、热能等 暂忽略暂忽略 裂纹扩展裂纹扩展 耗散能量耗散能量 总能量总能量 SD 弹性能弹性能 SE 能量耗散原理能量耗散原理 s WSESD能量等式： 劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析 张拉荷载作用下的裂纹扩展能量分析 n G c G bl bl 1 2142 1 222 nc G 1 )1 (2 1 2 2 2 IC K c 其中， 压缩荷载作用裂纹扩展能量分析 nc GE bl bl n 222 331 2 3 2 1 31 1 22 242 2 其中， 2 2 n c K c 滑

7、移型裂纹 SE i W s i b l Nc GG n2 31 2 31 2 331 2 3 2 1 1 12 1242 劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析 单轴压缩情况下卸载试验曲线单轴压缩情况下卸载试验曲线 JW5 .62 s1 JW25 s2 JW2 . 0 s0 颗粒粒径与裂纹扩展 N=125 条 结结 论论 劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析 沿颗粒边界劈裂的能量模型沿颗粒边界劈裂的能量模型 3 2 3 2 2 412 2 2 1 uu u u E ht dxxexTxexexCU 劈裂破坏之前的能量

8、劈裂破坏之前的能量 ceec e e E ht U412 2 22 2 劈裂破坏时的能量劈裂破坏时的能量 裂纹表面能裂纹表面能 d ht 2 2 eu UU劈裂准则劈裂准则 d 12112 2 332 1 4222 1 临界强度临界强度 沿颗粒边界压缩劈裂裂纹扩展示意图沿颗粒边界压缩劈裂裂纹扩展示意图 结结 论论 劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析 4 s W 2 2 ICn Kc tan1 tan 1 tan1cossin 31 c KIC 裂纹吸收能量达到裂纹吸收能量达到 裂纹的表面能裂纹的表面能 2tan 1 令 2 2 3 2 1 1 1 1

9、c KIC 2 45tan 2 45tan 2 31 c KIC 粘聚力随裂 纹扩展而减小 摩擦角增大 2 arctan2 1 cd tan令 脆性岩石粘结弱化摩擦强化效应脆性岩石粘结弱化摩擦强化效应 劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析 0 / VVi i V cdi fcdi / i C 0 / VV i i 0 /CC ii (A) (B) 2 45 58 max 16 cd 随加卸载变化 劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析 劈裂裂缝的贯通机理劈裂裂缝的贯通机理 劈裂裂缝形成劈裂裂缝形成 应力强度因子应力强

10、度因子 劈裂裂缝张力劈裂裂缝张力F 单裂纹张应力单裂纹张应力 cos n f A fdAF 1 L L F KI 3 31 f cossincossin coscossin cossincossin 22 32 3 22 1 L LKIC cr t s L Ebt W 2 4 36 临界应力临界应力 薄板压曲能量薄板压曲能量 2 22 3L Et cr cr t s L Ebt W 2 4 36 L A 劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析劈裂裂缝形成机理的细观和宏观能量法分析 条24 2 n 薄板压曲理论研究薄板压曲理论研究 基于能量等式 s nWSEWD 推求裂缝条数 1， 将二滩观察数

11、据和临界强度代入 2， n L tEb E AL uAb cr t crcr 3 42 2 362 n 36 3 42 3 24 cr te cr L tEb L uEI uAb 考虑不同的弹性能表达 条28 1 n 洞室劈裂破坏判据和位移预测分析洞室劈裂破坏判据和位移预测分析 12 脆性破损区的估算脆性破损区的估算 ff 4 . 0 7 . 0 31 根据经验总结和全应根据经验总结和全应 力应变曲线力应变曲线 脆性破坏的充分条件脆性破坏的充分条件 L/m 判据 /MPa 1 5 10 20 25.10*90. 4 31 25.10*20. 2 31 25.10*55. 1 31 25.10*

12、10. 1 31 455 . 0 mMPaKIC86. 0 劈裂破坏判据劈裂破坏判据 洞室劈裂破坏判据和位移预测分析洞室劈裂破坏判据和位移预测分析 应变能法应变能法2 应变能法应变能法1应变能法应变能法3 能量分析获得裂纹引起的侧向应变能量分析获得裂纹引起的侧向应变 。 理论依据理论依据Castigliano定理定理 单条滑移裂纹应力强度因子 格里菲斯能量法 滑移裂纹组应力强度因子 * 1 2 G lc 22 s 1 2 c G NWU ne 22 s 1 2 c G NWU ne dlK E U cl c Ie 0 2 2 1 00 c lncos cos4 l c cl E lc R c

13、w P E lc cos8cos4 2 1 dlK E U cl c Ie 0 2 2 裂纹扩展引起的变形分析 i e i U V 洞室劈裂破坏判据和位移预测分析洞室劈裂破坏判据和位移预测分析 正长岩参数表 裂纹与最大主应力的夹角裂纹与最大主应力的夹角 45 摩擦系数摩擦系数0.50 泊松比泊松比0.25 c c 初始裂纹长度初始裂纹长度0.0025m l l翼裂纹长度翼裂纹长度0.005m w w裂纹的平均间距裂纹的平均间距0.010m 初始裂纹密度初始裂纹密度0.024 E变形模量变形模量35GPa ： 对比分析 E lc 11 12. 3 E lc 12 27. 3 E lc 13 56

14、. 3 49 . 256. 3 13 e E lc 42 . 3e 取非稳定扩展点取非稳定扩展点 lelc 洞室劈裂破坏判据和位移预测分析洞室劈裂破坏判据和位移预测分析 Step 3 按劈裂破坏判据 得到破损区，并 得此区域的应力 场和弹性位移场 Step 2step1 根据应力场水平 值获得裂纹密度， 并根据弹性位移 获得裂纹引起的 张 开 位 移 。 获得了弹性位移 和裂纹张开位移， 可以获得总位移 值。 工程现场位移的预测方法工程现场位移的预测方法 f e 1 3725. 0 5396. 0 劈裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 能量法分析地下洞群稳定性能量法分析地下洞群稳定性 原理：记

15、录破损区内所有单元破损前后得弹性能改变，作为能量耗散值。等效为 劈裂破坏产生得能量，并据此获得裂缝得条数。 n i n i ii SESDU 11 30.7 25.5 6 5. 7 18 30 19 35 70 劈裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 最小主应力分布图最小主应力分布图 最大主应力分布图最大主应力分布图 位移矢量图位移矢量图 结果分析结果分析 洞周拉应力分布图洞周拉应力分布图 劈裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 FLAC3D 3.00 Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA Step 13001 15:38:34 Mon

16、 Mar 12 2007 History 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 x104 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 x103 2 sig_sum (FISH function) Linestyle 4.493e+001 6.426e+003 Vs. Step 2.500e+002 1.300e+004 FLAC3D 3.00 Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA Step 13001 15:39:00 Mon Mar 12 2007 History 0.

17、2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 x104 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 x103 2 sig_sum (FISH function) Linestyle 3.163e+003 6.348e+003 Vs. Step 2.500e+002 1.300e+004 FLAC3D 3.00 Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA Step 13001 17:13:28 Mon Mar 12 2007 History 0.2 0.4 0

18、.6 0.8 1.0 1.2 x104 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 x103 2 sig_sum (FISH function) Linestyle 1.233e+003 5.579e+003 Vs. Step 2.500e+002 1.300e+004 FLAC3D 3.00 Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA Step 13001 17:15:08 Mon Mar 12 2007 History 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 x104 3.4 3.6 3.8 4.0

19、 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 x103 2 sig_sum (FISH function) Linestyle 3.399e+003 6.190e+003 Vs. Step 2.500e+002 1.300e+004 1号2号 4号6号 1 1、3 3号号 能量突降较大能量突降较大 4 4号号 能量变化减弱能量变化减弱 2 2、5 5号号 能量变化较小能量变化较小 6 6号号 弹性能线性增长弹性能线性增长 裂缝条数裂缝条数 21条条 能量分析能量分析 劈裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 围岩劈裂判据的应用围岩劈裂判据的应用1 1 脆性破损区

20、分布图 Lajtai经验法 2 1 2 33 22 c t t USR 判断指标： 优、缺点。 劈裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 L=1m L=5m L=10m L=20m “V”型分布 深度不同 与实际对比 判据可行 围岩劈裂判据的应用围岩劈裂判据的应用2 2 劈裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 二滩地下洞室位移预测二滩地下洞室位移预测 总位移总位移 裂纹张开裂纹张开 位移位移 裂纹密度裂纹密度 应力场应力场 弹性位移弹性位移 劈裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 随洞室围岩进深应力变化及裂纹密度示意图随洞室围岩进深应力变化及裂纹密度示意图 弹性位移和总预测位移对比图弹性位移和总预测位

21、移对比图 现场50mm，预测58mm，预测方法可行 劈裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 劈裂破坏现象仿真模拟劈裂破坏现象仿真模拟 1，研究区域，研究区域 2，应力场等效，应力场等效 3，RFPA3D 实现实现 劈裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 初始平衡，轴向初始平衡，轴向 平面应变平面应变 ； 岩柱一侧逐级卸载，岩柱一侧逐级卸载， 轴向逐级加载轴向逐级加载 侧向卸载后，轴向侧向卸载后，轴向 继续加载直到破坏；继续加载直到破坏； 轴向荷载均布化轴向荷载均布化 1，研究区域，研究区域: 二滩地下主厂房与主变室之间岩柱二滩地下主厂房与主变室之间岩柱353530m 2，应力场等效，应力场等效 劈

22、裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 卸载过程中，水平位移图卸载过程中，水平位移图 劈裂破坏后，水平位移图劈裂破坏后，水平位移图 卸载过程中，最大与最小主应力分布图卸载过程中，最大与最小主应力分布图 劈裂破坏后，最大与最小主应力分布图劈裂破坏后，最大与最小主应力分布图 劈裂破坏的数值模拟劈裂破坏的数值模拟 )1 . 0 ( f A )3 . 0 ( f B )7 . 0 ( f C u岩石细观非均匀性岩石细观非均匀性 u二次应力分布二次应力分布 u劈裂形成过程劈裂形成过程 劈裂裂纹形成过程中的 应力应变曲线 声发射柱状图 剖面图 结论与展望结论与展望 基于能量理论，推导脆性岩石中因微裂纹扩展引起的试件基于能量理论，推导脆性岩石中因微裂纹扩展引起的试件 应变和裂纹条数公式。