深部洞室破坏机理与围岩稳定分析理论方法及应用

　　本书系统研究了深部洞室分区破裂的产生条件与影响因素，建立了基于应变梯度的分区破裂力学模型和能量损伤破坏准则，发展了分区破裂数值分析方法，阐明了分区破裂的力学成因与破坏机制。提出了地下洞室初始地应力场反演方法，建立了大型地下厂房洞室群施工期围岩力学参数的动态反演与分析方法。通过三维地质力学模型试验探索了超深埋碳酸盐岩油藏溶洞的成型垮塌破坏机制，提出了超深埋油藏溶洞的垮塌判据以及溶洞临界垮塌深度、临界垮塌顶板厚度和临界垮塌洞跨的预测公式，分析了不同形态、不同尺寸溶洞的垮塌破坏过程与垮塌影响范围，揭示了缝内降压速率、降压幅度、裂缝倾角、裂缝长度、裂缝宽度等因素对缝洞型裂缝闭合的影响规律。形成了深部岩体洞室破坏机理与围岩稳定分析的理论与方法体系。

　　张强勇，等

《岩石力学与工程研究著作丛书》序 《岩石力学与工程研究著作丛书》编者的话 前言 第1章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 国内外研究现状分析 3 1.3 本书主要研究内容及成果 12 第2章 深部洞室分区破裂模型试验 14 2.1 引言 14 2.2 模型相似材料 14 2.3 模型试验系统研制 17 2.4 分区破裂地质力学模型试验过程与方法 21 2.4.1 模型试验方案 21 2.4.2 模型制作方法 23 2.4.3 模型量测方法 25 2.4.4 模型加载与开挖方法 27 2.5 分区破裂的产生条件 29 2.5.1 模型洞周破裂现象的对比分析 29 2.5.2 模型洞周位移和应变变化规律 36 2.5.3 深部洞室分区破裂的产生条件 39 2.6 分区破裂的影响因素 41 2.6.1 洞形和地质构造分布的影响 41 2.6.2 分区破裂影响因素分析 52 2.7 模型试验与现场观测结果对比 52 2.8 本章小结 53 第3章 深部洞室分区破裂的理论分析 55 3.1 引言 55 3.2 应变局部化与分区破裂现象 55 3.3 应变梯度弹性损伤本构关系 57 3.3.1 应变梯度和高阶应力的引入 57 3.3.2 应变梯度弹性损伤本构关系推导 60 3.4 基于应变梯度的分区破裂非线性弹性损伤软化模型 64 3.4.1 岩石材料非线性损伤演化规律 64 3.4.2 分区破裂非线性弹性损伤软化模型 68 3.4.3 深部巷道分区破裂位移平衡方程推导 71 3.5 深部圆形巷道位移和应力求解与模型试验对比分析 74 3.5.1 圆形巷道位移和应力求解方法 74 3.5.2 理论计算与模型试验结果的对比分析 78 3.6 本章小结 80 第4章 深部洞室分区破裂数值模拟方法 82 4.1 引言 82 4.2 分区破裂能量损伤破坏准则 82 4.2.1 岩石破坏与能量耗散 82 4.2.2 基于应变梯度的单元破坏准则 83 4.3 分区破裂数值模拟分析方法 86 4.3.1 本构方程的矩阵形式 86 4.3.2 高阶六面体单元的构建 88 4.3.3 分区破裂单元破坏的判定方法 98 4.4 依托ABAous平台的分区破裂计算翟序开发 99 4.5 分区破裂数值模拟结果及分析 104 4.5.1 圆形巷道分区破裂数值模拟 104 4.5.2 含软弱夹层洞室分区破裂数值模拟 108 4.5.3 非圆形洞室分区破裂数值模拟 112 4.5.4 最大主应力对洞室破裂方式的影响 119 4.5.5 洞室形状对分区破裂的影响分析 121 4.6 深部洞室分区破裂的形成机理 123 4.7 本章小结 125 第5章 地下洞室初始地应力场的反演方法 126 5.1 引言 126 5.2 初始地应力的影响因素 127 5.3 初始地应力回归分析与拟合方法 129 5.4 双江口水电站地下厂房厂区初始地应力场的反演 131 5.4.1 数值计算模型 131 5.4.2 岩体计算参数 132 5.4.3 地下厂房厂区初始地应力实测结果分析 133 5.4.4 地下厂房厂区初始地应力的回归分析 134 5.4.5 地下厂房厂区初始地应力函数 136 5.5 大岗山水电站地下厂房厂区初始地应力场的反演 138 5.5.1 工程概况 138 5.5.2 初始地应力实测结果 139 5.5.3 地应力反演计算条件 142 5.5.4 实测地应力的转换 143 5.5.5 地下厂房厂区初始地应力回归分析 144 5.5.6 地下厂房厂区初始地应力函数 147 5.6 本章小结 149 第6章 大型地下厂房施工期围岩力学参数动态反演与开挖稳定性分析 151 6.1 正交设计效应优化位移反分析法 151 6.1.1 正交试验设计 151 6.1.2 反演目标函数 153 6.1.3 效应优化分析 153 6.1.4 力学参数反演流程与计算步骤 155 6.2 大岗山地下厂房围岩力学参数动态反演分析 157 6.2.1 数值计算模型 157 6.2.2 地下厂房第七层开挖围岩力学参数的动态反演与分析 159 6.2.3 地下厂房第八层开挖围岩力学参数的动态反演与分析 169 6.2.4 地下厂房第九层开挖围岩力学参数的动态反演与分析 180 6.2.5 洞室锚杆与锚索受力分析 189 6.3 本章小结 196 第7章 超深埋缝洞型油藏溶洞垮塌破坏机制与储油裂缝闭合规律研究 198 7.1 引言 198 7.2 塔河油田超埋深碳酸盐岩力学试验 198 7.2.1 现场取样与标准试件制备 199 7.2.2 碳酸盐岩力学参数测试 204 7.2.3 碳酸盐岩微细观破裂机制 208 7.3 超深埋碳酸盐岩溶洞垮塌破坏三维地质力学模型试验 210 7.3.1 超高压智能数控真三维加载模型试验系统的研制 211 7.3.2 模型试验设计方案 218 7.3.3 模型相似材料研制 219 7.3.4 模型加载方法与测试仪器布置 224 7.3.5 模型制作写测试方法 226 7.3.6 模型试验结果分析 229 7.3.7 模型试验研究结论 234 7.4 缝洞型油藏溶洞垮塌破坏的数值模拟 234 7.4.1 数值分析模型与计算条件 234 7.4.2 溶洞垮塌破坏判据 235 7.4.3 溶洞临界垮塌深度的二分深度折减法 236 7.4.4 不同洞形溶洞的垮塌破坏特征与垮塌影响范围 237 7.4.5 不同洞形溶洞临界垮塌深度的预测公式 243 7.4.6 不同洞形溶洞临界垮塌顶板厚度与临界垮塌洞跨预测公式 250 7.4.7 不同洞形溶洞垮塌多因素敏感性分析 253 7.4.8 不同洞形溶洞稳定性分析比较 257 7.5 缝洞型裂缝闭合规律的数值模拟分析 259 7.5.1 缝内降压速率对裂缝闭合规律的影响 259 7.5.2 裂缝倾角对裂缝闭合规律的影响分析 268 7.5.3 裂缝长度对裂缝闭合规律的影响分析 277 7.5.4 裂缝宽度对裂缝闭合规律的影响分析 284 7.5.5 地层降压幅度对裂缝闭合规律的影响分析 291 7.6 本章小结 296 参考文献 299