【正文】 (b)f= (c)f= (d)f= (e)f= 圖337不同摩擦系數(shù)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的水平應(yīng)力 圖338隨摩擦系數(shù)變化巷道附近最大水平應(yīng)力由圖337和圖338可以看出：巷道的水平應(yīng)力分布總體關(guān)于y軸對稱，并且巷道的水平拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂部和兩側(cè)。隨著摩擦系數(shù)的增加，巷道上的最大豎向位移也隨之增加。（2）不同摩擦系數(shù)的豎向位移 、。（1）不同摩擦系數(shù)的水平位移、。(a)白云巖 (b)灰?guī)r (c)強風(fēng)化碳質(zhì)巖 (d)砂巖 (d)石英巖圖331不同巖性非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎直應(yīng)力圖332隨巖性變化巷道附近最大豎向應(yīng)力由圖331和圖332可以看出：巷道整體受壓，并且在巷道的兩側(cè)存在最大的豎向應(yīng)力；在五中巖性中，其中砂巖的壓應(yīng)力最小，白云巖的壓應(yīng)力最大。白云巖則穩(wěn)定性最差。(a)白云巖 (b)灰?guī)r (c)強風(fēng)化碳質(zhì)巖 (d)砂巖 (e)石英巖圖329不同巖性非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的水平應(yīng)力圖330隨巖性變化巷道附近最大水平應(yīng)力由圖329和圖330可以看出：巷道的水平應(yīng)力總體關(guān)于y軸對稱，并且無論哪一種巖性在巷道的底部存在拉應(yīng)力。也就是說，五種巖性中，砂巖最為穩(wěn)定，強風(fēng)化碳質(zhì)巖穩(wěn)定性最差。(a)白云巖 (b)灰?guī)r (c)強風(fēng)化碳質(zhì)巖 (d)砂巖 (e)石英巖圖327不同巖性非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎向位移圖328隨巖性變化巷道附近最大豎向位移由圖327和圖328可以看出：隨著圍巖深度的增加，圍巖中的豎向位移也在逐漸增加。強風(fēng)化碳質(zhì)巖的水平位移最大，即強風(fēng)化碳質(zhì)巖穩(wěn)定性最差。（1）巖性變化的水平位移圍巖為不同巖性：白云巖、灰?guī)r、強風(fēng)化碳質(zhì)巖、砂巖、石英巖時的水平位移云圖如圖325所示。增加到180176。增加到90176。 (a)θ=0 (b)θ=30 (c)θ=60(d)θ=90 (e)θ=120 (f)θ=150圖323不同角度非連續(xù)結(jié)構(gòu)面豎直應(yīng)力圖324隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面角度變化巷道附近最大豎向應(yīng)力由圖323可以看出：巷道的兩側(cè)存在最大壓應(yīng)力；隨著角度的改變巷道的頂部和底部存在最大拉應(yīng)力。巷道的拉應(yīng)力又逐漸減小。當(dāng)角度從90176。增加到90176。隨著角度的改變，除了在非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的附近，水平應(yīng)力分布有些許變化，巷道水平應(yīng)力的分布總體是關(guān)于y軸對稱的。（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)角度再由90176。增加到90176。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。（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。到180176。到90176。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。(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。由圖316可以看出：隨著非連續(xù)結(jié)構(gòu)面增加，巷道上最大豎向應(yīng)力也在逐漸增加，但是增加到30m后，非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的尺寸再增加，最大豎向位移反而隨之減小。 (a)w=15 (b)w=18 (c)w=(d)w=30 (e)w=45 (f)w=60圖315不同尺寸非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎直應(yīng)力圖316隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸變化巷道附近最大豎向應(yīng)力由圖315可以看出：巷道整體受壓，并且豎向應(yīng)力分布關(guān)于y軸對稱。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。（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)w=15 (b)w=18 (c)w= (d)w=30 (e)w=45 (f)w=60圖313不同尺寸非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎向位移圖314隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸變化巷道附近最大豎向位移由圖313可以看出：隨著圍巖深度的增加，圍巖的豎向位移隨著慢慢減少，所以巷道最大的豎向位移在其頂部。由圖312可以看出，隨著非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸的增加，巷道上的最大水平位移也隨之逐步增加。處。 (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。由圖310可以看出，當(dāng)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面靠近巷道，但是并未貫穿巷道時，越靠近巷道，巷道上最大的豎向應(yīng)力越大；當(dāng)非連續(xù)面貫穿巷道時，出現(xiàn)了巷道上的壓應(yīng)力卻最小。（2）巷道圍巖的鉛垂應(yīng)力非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同高度時圍巖豎向應(yīng)力云圖如圖39所示。 (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(k)h=25 圖37高度非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的水平應(yīng)力 圖38隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度變化巷道附近最大水平應(yīng)力由圖37看出：巷道水平應(yīng)力分布關(guān)于y軸是對稱的，并且在巷道的兩側(cè)以及底部出現(xiàn)了拉應(yīng)力，但是隨著與巷道的距離增大，拉應(yīng)力慢慢減小，從拉變?yōu)閴海⑶疫_(dá)到壓應(yīng)力的最大值，然后又慢慢減小。(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 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。；由圖34可以看出，當(dāng)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面靠近巷道，但是并未貫穿巷道時，巷道上的最大橫向位移有明顯增加；遠(yuǎn)離巷道時，巷道上最大位移就明顯減少；但是當(dāng)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面貫穿巷道時，巷道上最大位移明顯減少。最大位移出現(xiàn)在巷道的兩側(cè)底部和巷道徑向45176。（1）巷道圍巖的水平位移非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同高度時圍巖水平位移云圖如圖33所示。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。依次模擬非連續(xù)結(jié)構(gòu)面角度對巷道的影響。120176。60176。分別考慮當(dāng)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面夾角為：0176。分別考慮非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸：60m、45m、30m、18m、15m、依次模擬非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸對巷道穩(wěn)定性的影響。分別考慮非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度：25m、20m、15m、10m、0m、10m、15m、20m、25m，依次模擬非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度對巷道穩(wěn)定性的影響?？梢岳媒⒘严兜姆椒ń⒕植糠沁B續(xù)結(jié)構(gòu)面具體參數(shù)如表32和表33所示：表32非連續(xù)結(jié)構(gòu)面設(shè)置參數(shù)長度/m圓心/mR1/mR2/m表33非連續(xù)結(jié)構(gòu)面間的接觸參數(shù)切向剛度/Mpa法向剛度/Mpa粘聚力/Mpa（2）數(shù)值模擬的計算方案主要研究非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸、傾角、距離巷道的高度、摩擦系數(shù)及巖性等因素對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。每種模型使用不同的接觸單元來分析模型中的不同問題。在一般情況下，軟材料和硬材料接觸時，問題可以被認(rèn)為剛體—柔體的接觸，許多金屬成形問題都屬于此類接觸；另一類，柔體—柔體的接觸，是一種更普遍的類型，在這種情況下，兩個接觸體都是變形體（有近似的剛度）。 圖31模型尺寸 圖32網(wǎng)格劃分 表31巖石力學(xué)參數(shù)巖性彈性模量/泊松比密度/粘聚力/內(nèi)摩擦角 載荷/砂巖250025灰?guī)r260026石英巖260026白云巖230023風(fēng)化碳質(zhì)巖280028在有限元建模非連續(xù)結(jié)構(gòu)面，因為不同的部件之間沒有鍵合在一起，有時還需要考慮摩擦力的問題，就有必要在模型中定義接觸，定義了接觸問題，就被稱為接觸問題，這是一種高度非線性的問題，需要大量的求解。各巖層力學(xué)參數(shù)如表31所示。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。斷面尺寸為跨度8m、高度8m，根據(jù)巷道圍巖開挖后影響區(qū)域的相對局部性，取計算模型尺寸為斷面的5~8倍，為。其次，工程中的圍巖材料都是非均勻性，而目前的有限元法都是基于連續(xù)介質(zhì)，所以對于巖土這類非均勻介質(zhì)計算結(jié)果和實際情況總有些差距。以本課題為例：首先，對隧道圍巖，在圍巖分類方法包含多個參數(shù)，以及一些參數(shù)是不知道的。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。并且ANSYS產(chǎn)品家族中有七種結(jié)構(gòu)分析的類型：靜力分析、模態(tài)分析、諧波分析、瞬態(tài)動力分析、譜分析、屈服分析、顯示動力分析。ANSYS軟件以它的多物理場耦合分析功能而成為CAE軟件的應(yīng)用主流，在工程分析應(yīng)用中得到了較為廣泛的應(yīng)用。(1)ANSYS簡介隨著計算力學(xué)、計算數(shù)學(xué)、工程管理學(xué)，特別是信息技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)值模擬可以廣泛的土木，機械，電子，能源，冶金，國防，航空航天等領(lǐng)域。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)力強度因子達(dá)到臨界值時裂紋將開始擴(kuò)展。
本課題主要探討的是Ⅱ型裂紋，裂紋尖端附近應(yīng)力場與位移場的主要表達(dá)式為：圖27Ⅰ型裂紋 () 這里： (2)斷裂判據(jù)在復(fù)雜荷載作用下，如何判斷裂紋是否開裂，這就需要象強度理論一樣的斷裂判據(jù)理論。
Ⅱ. 滑開型（Ⅱ型）：由于剪應(yīng)力的作用而滑開，上下表面切向位移反對稱。
裂紋的基本形式：伊爾文的線彈性斷裂力學(xué)的基本觀點，是位移的變形裂縫的概念來描述。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)力場的強弱程度來判斷固體的裂紋擴(kuò)展和斷裂以及固體的強度。
他將含有裂紋的受力系統(tǒng)分為兩類：：物體在外力作用下產(chǎn)生彈性應(yīng)變能，應(yīng)變能并且被儲存下來，如果物體受力出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象或者裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，則儲存在物體內(nèi)的彈性應(yīng)變能將有一部分被釋放出來或轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。固體的破壞是由于裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。損傷的成因和方式是多方面的，有初始損傷、彈塑性損傷、疲勞損傷、蠕變損傷，損傷作為一種“劣化因素”結(jié)合到