【正文】 后的漫長地質(zhì)歷史時期中，形成了許多各式各樣的結(jié)構(gòu)面，例如巖漿侵入巖與圍巖接觸面，不同侵入巖體彼此的接觸面、冷凝裂隙，噴出巖和沉積巖的層理、不整合面，變質(zhì)巖的片理、片麻理，組成各種巖石的礦物晶體的各種優(yōu)勢 定向排列面以及由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動、風(fēng)化、重力和卸荷等各種不同動力的作用而產(chǎn)生的斷層、節(jié)理、裂隙等。 (4)其它方法 除了上述常用的方法外 ,其它一些理論與方法也在圍巖穩(wěn)定分析中得到應(yīng)用。邊界元法將偏微分方程變換成求解對象邊界上的積分方程式并將其離散化求解。 離散單元法這一方法已在巖土工程問題中得到越來越多的應(yīng)用。當(dāng)硐室是非圓形時 ,就需要通過保角變換 ,而的映射函數(shù)則就變成問題的求解關(guān)鍵。 工程條件的差異、量測誤差等使其帶有顯著的定性使用的特點，在實際工程中發(fā)生和上述標(biāo)準(zhǔn)的不一樣現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生；有的軟弱圍巖當(dāng)變形值超出規(guī)范允許值數(shù)倍仍未發(fā)生失穩(wěn)；反而在淺埋隧道中，有的變形尚未達(dá)到允許值卻發(fā)生了坍塌；此外，還有統(tǒng)計分析的原因，用于穩(wěn)定性 分析的數(shù)據(jù)滯后，使不穩(wěn)定地層的穩(wěn)定性分析難以真正應(yīng)用于實施量測的工程，人們在數(shù)值模擬和理論分析時經(jīng)常查閱國內(nèi)外有關(guān)圍巖穩(wěn)定性的規(guī)范，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)并不確定只是給了一個大概的范圍，部分定量指標(biāo)通常是根據(jù)經(jīng)驗和統(tǒng)計資料得出。用彈塑性力學(xué)理論分析圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元程序廣泛應(yīng)用，邊界元及邊界元與有限元耦合法在隧道工程中的應(yīng)用也有不少成果；用于裂隙巖體的塊體理論和離散元理論也發(fā)展出了相應(yīng)的程序。 對巖體結(jié)構(gòu)面的定量描述 是復(fù)雜的課題，大致包括了兩個方面： (1)實際現(xiàn)場收集的定量、半定量的資料 [3]。因為預(yù)防和控制煤礦事故的發(fā)生是我國煤礦安全生產(chǎn)工作的中心，煤炭安全開采是煤炭工業(yè)健康發(fā)展的前提和保證，所以建設(shè)安全的巷道更是煤炭開采的核心。裂隙方位的變化對圍巖穩(wěn)定性的影響 ......................................................... 47 5 主要結(jié)論 .................................................................................................................................... 50 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 51 翻譯部分 ....................................................................................................................................... 52 致 謝 ........................................................................................................................................... 78 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 1 頁 1 緒論 課題研究背景與意義 煤炭是我國的主題能源，在我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭資源占到了一半以上[1]。近年來我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，電力、冶金、建材、化工等行業(yè)的高速發(fā)展導(dǎo)致了對煤炭需求的大幅度增加。 數(shù)學(xué)分析階段：近 20 年來，圍巖分析融合了諸多因素、多指標(biāo)，進(jìn)行定量評價 與定性指標(biāo)量化評價相結(jié)合，對巖體的理論基礎(chǔ)和不確定性加深了的認(rèn)識，在數(shù)學(xué)上，模糊數(shù)學(xué)、灰色理論等數(shù)學(xué)工具的出現(xiàn)，也為巖體的不確定性帶來了新的解決問題的方法，對圍巖穩(wěn)定性的評價開始與數(shù)學(xué)工具相結(jié)合 [3]。馮夏庭 (1999)建立了分形維數(shù)與 JRC 的關(guān)系式并應(yīng)用于 JCR 值的近似分形預(yù)測 [3]。在地下工程穩(wěn)定問題的分析中，如果不把巖體的性質(zhì)搞清楚，那么任何計算等于無用。 相關(guān)圍巖巷道穩(wěn)定性的研究方法 根據(jù)圍巖穩(wěn)定性分析的數(shù)學(xué)模型 ,可將目前常用的圍巖穩(wěn)定性分析方法分為如下 4類。 有限元法有限元法自 20 世紀(jì) 70 年代提出發(fā)展至今 ,已經(jīng)相當(dāng)成熟 ,是目前最廣泛使用的一種方法 ,可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題 ,是地下工程巖體應(yīng)力應(yīng)變分析最常用的方法 [8][9][10]。為了克服有限元等方法不能求解大變形問題的缺陷，能更好地考慮巖土體的不連續(xù)和大變形特性，求解速度較快。可靠性理論根據(jù)不同的巖石破壞判據(jù)建立極限狀態(tài)方程，自應(yīng)用于巖土工程以來 ,在許多領(lǐng)域獲得了較大的發(fā)展 [16]，并被引入地下硐室穩(wěn)定分析中；采用概率論方法求得地下結(jié)構(gòu)工程的破壞概率，進(jìn)而分析其穩(wěn)定可靠性。本文結(jié)合工程實際情況，以圍巖穩(wěn)定性的彈性力學(xué)、斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，主要運(yùn)用數(shù)值模擬的手段，采用ANSYS 軟件對含非連續(xù)結(jié)構(gòu)面以及裂隙的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)地研究，具體研究內(nèi)容與方法如下： （ 1） 結(jié)合工程實際情況建立馬蹄形隧道的數(shù)值計算模型，利用接觸單元模擬非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的工作性狀，分析含有非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的隧道圍巖的應(yīng)力與位移場的分布規(guī)律。 巖石的結(jié)構(gòu)包括兩個基本要素：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體。即單向裂隙率的倒數(shù)為成組結(jié)構(gòu)面之間的平均間距，以 d 表示： dkd1? () 式中， dK 單向裂隙 ( 1m? ) d 結(jié)構(gòu)面間平均間距 (m) 平面裂隙率 AK 是指在單位面積上所有裂隙所占有巖石的面積總和，亦即： AtlKnl iiA ?? () 式中： il 第 i 條裂隙面長度 (m) it 第 i 條裂隙面的寬度 (m) A 被測量的巖石總面積 ( 2m ) 裂隙率愈大，表明巖石愈破碎、強(qiáng)度愈低透水性愈大，且易被風(fēng)化產(chǎn)物所充填，形成軟弱結(jié)構(gòu)面，釀成工程隱患。強(qiáng)度就是它們的主要區(qū)別點：巖塊的強(qiáng)度主要取決于構(gòu)成巖石的礦物和顆粒之間的聯(lián)結(jié)力和微裂隙的影響；而對巖體強(qiáng)度中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 9 頁 起主要作用的則是巖體中的結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造特征。 巖石強(qiáng)度理論 —— 指巖石在某應(yīng)力或應(yīng)變條件下產(chǎn)生破壞的判據(jù)，主要分為主要有三種 : （ 1）庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則（ 2）莫爾強(qiáng)度理論（ 3）格里菲斯強(qiáng)度理論 圍巖穩(wěn)定性分析的彈性理論 將圍巖近似視為各向同性、連續(xù)、均質(zhì)的線彈性體，用彈性力學(xué)的基本理論來分析圍巖的應(yīng)力和位移分布。由裂紋前緣的應(yīng)力和位移根據(jù)斷裂因子判斷裂紋的擴(kuò)展及其開裂方向，損傷力學(xué)以微觀裂紋為出發(fā)點。 伊爾文理論 Griffith 理論和奧羅文理論都是以能量 作為衡量固體材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，而伊爾文則主張用裂紋前緣區(qū)域應(yīng)力場的強(qiáng)弱程度來判斷固體的裂紋擴(kuò)展和斷裂以及固體的強(qiáng)度。這里 基本假定：①裂紋的初始擴(kuò)展方向是切向正應(yīng)力 ?? 的最大值方向；②沿著這個方向的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值時裂紋將開始擴(kuò)展。 ANSYS 的基礎(chǔ)思想仍然是有限元法的基礎(chǔ)上，所以它繼承了有限元方法的優(yōu)點，有限元方法，基于加權(quán)殘值法和變分原理，它的優(yōu)點是：部分的考慮了沿途的非連續(xù)性，所以對于工程中的非連續(xù)介質(zhì)有更好的適應(yīng)性，比之前的方法更具符合現(xiàn)實工程。這里認(rèn)為圍巖為均勻連續(xù)的彈性體，考慮模型自重以及模型上覆巖石的自重。每種模型使用不同的接觸單元來分析模型中的不同 問題。分別考慮當(dāng)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面夾角為： 0176。 ⑤研究斷面間摩擦系數(shù)變化對圍巖穩(wěn)定性的影響，巖性為砂巖，非連續(xù)結(jié)構(gòu)面長度為 60m，距離巷道高度為 10m。 (a)無非連續(xù)結(jié)構(gòu)面 (b)h=25 (c)h=20 (d)h=15 (e)h=10 (f)h=0 (g)h=10 (h)h=15 (i)h=20 (j)h=25 圖 35 不同高度非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎向位移 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 21 頁 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 5 10 15 20 25 307 .8 07 .8 27 .8 47 .8 67 .8 87 .9 07 .9 27 .9 47 .9 67 .9 88 .0 0h u y / cm 圖 36 隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度變化巷道附近最大豎向位移 由圖 35 可以看出：圍巖的豎向位移隨著深度的增加，在慢慢減小，巷道的最大豎向位移也就出現(xiàn)在巷道的頂部；由 36 可以看出：隨著非連續(xù)結(jié)構(gòu)面所處深度的增加，巷道上最大的豎向位移在逐漸減小。 (a)w=15 (b)w=18 (c)w= (d)w=30 (e)w=45 (f)w=60 圖 311 不同尺寸 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的水平位移 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 25 頁 1 0 .0 1 2 .5 1 5 .0 1 7 .5 2 0 .0 2 2 .5 2 5 .0 2 7 .5 3 0 .0 3 2 .5 3 5 .0 3 7 .5 4 0 .0 4 2 .5 4 5 .00 .1 70 .1 80 .1 90 .2 00 .2 10 .2 20 .2 30 .2 40 .2 50 .2 6w i d t h u x / cm 圖 312 隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸變化巷道附近最大水平位移 由圖 311 可以看出，非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸的改變并不影響巷道附近的水平位移 分布規(guī)律，最大值依然在巷道的頂部和底部和巷道徑向 45176。 巷道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律 （ 1）不同尺寸非連續(xù)面的水平應(yīng)力 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面為不同尺寸時圍巖水平應(yīng)力云圖如圖 313 所示。 (a)θ =0 (b)θ =30 (c)θ =60 (d)θ =90 (e)θ =120 (f)θ =150 圖 317 不同角度非連續(xù)結(jié)構(gòu)面水平位移 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 29 頁 0 30 60 90 120 1500 .1 30 .1 40 .1 50 .1 60 .1 70 .1 8a n g l e u x / cm 圖 318 隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面角度變化巷道附近最大水平位移 由圖 317 可以看出，當(dāng)角度發(fā)生變化，對于巷道水平位移的分布影響是十分明顯的，并且當(dāng)角度從 0176。 （ 2）不同角度非連續(xù)面的豎向位移 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同角度時圍巖豎向位移云圖如圖 319 所示，為了更加準(zhǔn)確的描述非連續(xù)面角度對于圍巖的影響，從而選取三條路徑做進(jìn)一步的討論。 巷道圍巖的應(yīng)力 分布規(guī)律 （ 1）不同角度非連續(xù)面的水平應(yīng)力 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同角度時圍巖水平應(yīng)力云圖如圖 321 所示。當(dāng)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面角度發(fā)生變化，對于非連續(xù)結(jié)構(gòu)面附近的區(qū)域有非常微弱的影響，但是距離非連續(xù)結(jié)構(gòu)面較遠(yuǎn)區(qū)域的豎向位移，分布并沒有發(fā)生改變。時，非連續(xù)結(jié)構(gòu)面以上部分的水平位移分布發(fā)生明顯的變化，位移分布由對稱到不對稱再到對稱。由圖 314 可以看出：隨著非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸的增加，巷道上的最大水平拉應(yīng)力反而有所減小，同時壓應(yīng)力增加。處。 (a)無非連續(xù)結(jié)構(gòu)面 (b)h=25 (c)h=20 (d)h=15 (e)h=10 (f)h=0 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 22 頁 (g)h=10