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1、安徽理工大学工程结构分析专业本科毕业论文I节理位置对巷道稳定性的影响研究摘要节理是岩体表面的一种断裂构造，由于节理位置的不同，造成岩体的 不连续性。为了研究不同节理位置下巷道围岩的破坏状态，运用 ANSYS 软 件建立巷道模型，研究在不同节理位置时巷道围岩的破坏情况。通过 ANSYS 建模和数值模拟运算，对巷道围岩破裂区的应力、应变、位移进行 分析，研究节理方位的不同时，巷道围岩的破坏规律 。 安徽理工大学工程结构分析专业本科毕业论文IISTUDY ON EFFECT OF ROADWAY STABILITY BY JOINT LOCATION ABSTRACTJoint is a ruptu
2、re in the rock surface, due to the different position of joint, causing discontinuities in the rock mass. In order to study different joint positions of roadway surrounding rock failure state, using ANSYS software to establish the tunnel model, research in different joint positions of roadway surrou
3、nding rock damage. Through the ANSYS modeling and numerical simulation calculation, on the fracture zone of roadway surrounding rock stress, strain, displacement analysis, research joint orientation and roadway surrounding rock stability variation. 安徽理工大学工程结构分析专业本科毕业论文III目录摘要(中文) 摘要(外文)安徽理工大学工程结构分析专
4、业本科毕业论文ii绪论（引言） 11 节理概论 41.1 节理的力学成因及其特征41.2 节理的状态及其描述51.3 节理面的形态特征及其描述 62 断续节理岩体特性分析及扩展的数值流形方法 72.1 断续节理岩体强度特性分析 72.2 扩展的数值流形方法 113 ANSYS 巷道数值模拟与分析203.1 数值模拟实例 203.1.1 模型建立和数值约束条件203.1.2 数值模拟结果203.2 数值模拟结果分析28结论30参考文献 31谢辞 32安徽理工大学工程结构分析专业本科毕业论文iii11 绪论1.1 研究目的如今，国内外岩体工程发展迅速，越来越多的能源、交通、矿山、水利和国防工程建造
5、在岩石地区。1其工程设计、施工、稳定性评价和岩体加固等都直接依赖于对岩体的强度、变形、渗透及破坏规律等特性的研究。1岩体结构面以及软弱面大部分是由远古时期经过长期的地质构造运动，才形成的行迹，不仅包括大型断层，还包括IV 级和 V 级结构面，它们在工程区域中是普遍存在的，这些构造面对岩体的稳定性具有相当直接的作用，有这些构造面的岩体，我们称呼为节理岩体。岩体是一种地质介质，在漫长的地质年代中经受到多次的地质构造运动，在地壳岩体中形成了规模不等的构造行迹，2这些行迹是普遍存在并且以成组方式出现的，多数成间断分布。因为这些结构面对工程岩体的力学性质具有很大的影响，所以对这类岩体提出力学模型并研究它
6、的破坏机理，必须认真探索与发现这类地质结构的行迹的分布方式与力学性质，来找出行之有效的分析方法。节理力学是研究岩体中节理的强度、变形和渗流等物理力学性质及其对岩体力学性质和岩体工程稳定性的作用规律的岩土力学分支学科，它从研究节理经历自然和人类活动后含有众多的节理、裂隙等不连续结构面这一事实出发，从研究节理的力学性质入手，运用不连续面研究的手段、理论和方法来研究岩体力学理论和岩体工程的稳定性问题。对岩体进行开挖和扰动，那么就会产生属于开挖工程的稳定性、安全性问题，怎样保证工程在开挖期以及运行期的稳定性，如何尽量减少开挖以及减少加固支护的成本，就成为十分重要的课题。在国内外的岩体工程实例表明，几乎
7、所有的工程岩体不是一开始就出现的，通常情况是，在开挖面的附近荷载变化，引起重力重分布而使岩体变形在某些结构面或其中的薄弱部位逐渐地增长发展，或者是地质条件恶化，使岩体中的断续节理面不断地蠕变、演化，进而产生宏观断裂并产生新的贯通位移所引起的。分析断续节理岩体的强度特性及其时效变形机制，可以合理的预测节理面的扩展及其贯通破坏形式，从而评价工程岩体的稳定性。大量的岩土工程实践表明，岩土工程的失稳破坏与其内部的节理裂隙的扩展、贯通何渗流密切相关。安徽理工大学工程结构分析专业本科毕业论文2围岩稳定性问题始终是地下工程的一个重要研究方向，而围岩稳定性评价结果的正确与否直接关系到地下工程的成败。巷道围岩稳
8、定性问题一直是矿山岩石力学工作者长期关注并投入大量精力研究的一道难题。因此人们对深部开挖工程的稳定性给予了极大的关注，特别是围绕巷道开挖引起的附近围岩的松动、变形区域。由于长期地质构造作用，地下工程岩体往往被各种结构面所切割，使得工程岩体的性质具有明显的不均匀性。在节理岩体中这些松动、变形区通常认为是由节理岩体中岩块的破裂变形形成的。在节理岩体中，存在大量被节理岩体切割的封闭多边形岩块，这些岩块的破裂变形是巷道失稳得主要因素。同时，由于岩体形成的条件千差万别，结构面的情况复杂多变，研究结构面的方位、密度、组合关系及力学特性，对岩体变形和破坏规律的影响远较岩石性质的影响更为重要。 研究深埋应力场
9、中不同节理倾角、密度的断续节理岩体在开挖条件下巷道周边围岩破裂区的形成和扩展机理,进而达到评价地下工程岩体稳定性的目的。1.2 研究现状伴随岩石力学学科的发展，围岩稳定性评价经历了“经验判断理论分析数值计算”的发展过程。人们普遍注意到原生节理裂隙对巷道稳定性的影响,巷道轴向布置与节理裂隙的空间产状要素的不同匹配对其稳定性和维护影响很大。根据岩体中地下工程的几何尺度及所含节理的规模尺寸,人们往往将岩体分为贯通节理岩体和断续节理岩体,前者的节理连通率接近 100%,而后者则在 50%左右。而当今大多数地下工程都建造在断续节理岩体中,因此断续节理岩体中巷道稳定性及其支护问题始终是地下工程研究的重点。
10、本文采用模型试验方法,研究深埋应力场中不同方位的断续节理岩体在开挖条件下围岩破裂区的形成和扩展机理,分析围岩破坏和碎胀变形的发展规律及其对巷道稳定性的影响。然而,以前的研究,包括模型试验、数值模拟和理论分析等,均没有考虑节理对破裂区的形成机理、扩展深度等的影响。但在现场研 究中,岩体中的节理是客观存在的,实测的围岩破裂区包含了节理的影响。因此,采用数值模拟方法,研究深埋应力场中不同节理倾角、密度的断续节岩体在开挖条件下巷道周边围岩破裂区的形成和扩展机理,进而达到评价地下工程岩体稳定性的目的。目前国内外公认的岩体力学模型可归纳为两大类，即离散介质模型和连续介质模型。离散介质模型主要包括极限平衡理
11、论、关键块理论、离散单元法和非连续变形分析法等。Sarma（1979）和 Hock（1987）建立了广义平衡理论。Shi 和 Goodman 在极限平衡理论上提出了关键块理论。Gundall(1971)提出的离散单元法将岩块抽象为刚体或安徽理工大学工程结构分析专业本科毕业论文3变形体，利用 Newton 运动定律表达块体的不平衡力与块体运动速度和位移的关系，最后通过有限差分法求得块体的位移。Kawai（1977）提出了刚体-弹簧(RBSM)来模拟节理岩体的稳定性。石根华后又提出了更严谨的非连续变形分析方法和流形元分析法。连续介质模型将节理岩体视作连续介质，由此建立节理岩体的等效本构模型，这方面
12、的研究方法主要有当量体法、断裂力学方法、损伤力学方法以及差分法等。Horri H.(1983),Cai M.(1993),Margolin L. G.(1983),Yoshiaki Okui(1993)及我国朱维申（1992） 、张明焕（1995）等人都采用当量体法从弹性和弹塑性应变等效出发系统的研究了节理岩体的力学性质。Brace 和 Bombackis(1963),Hoek 和 Bieniawski(1965)通过实验明确指出，在压应力作用下，宏观断裂破坏不是不是单一预先存在的微裂隙的雁型式排列特点，而是各微裂隙、颗粒边界及孔洞聚的结果。野外构造断裂与工程岩体断裂机制的研究是岩体断裂力学的
13、最重要的研究课题。Aydin 和 Shulz(1990)对走向滑层的地质调查研究后发现，当相邻断层的内侧相向时，断层的相互作用促进断层的拓展；而当断层发展到某种程度的相互搭接时，其相互作用便阻碍他们的扩展。20世纪 80 年代，Kawamoto（1988）等首先将 Murakami 和 Ohno 提出的几何损伤理论应用于岩体工程中，提出了节理岩体的损坏模型，并将其和非线性有限元分析结合起来。1.3 研究方法与内容通过 ANSYS 软件，运用有限元方法建立巷道岩体模型，经过处理可以得出巷道围岩在不同节理位置下的节点应力、应变、位移云图，对巷道围岩应力、应变、位移进行分析，认识巷道围岩的破坏状态，
14、分析巷道围岩的稳定性情况。安徽理工大学工程结构分析专业本科毕业论文42 节理概论2.1 节理的力学成因及其特征根据构造地质学，岩石在断裂过程中产生的构造统称为断裂构造。凡断裂两侧的岩石延断裂面没有位移或仅有微量位移的断裂，称为节理；如断裂两侧的岩石沿断裂面发生了较大位移，则称断层。断裂构造（节理和断层）是岩体中发育最广泛的一种地质构造。任何节理都是在一定的受了力的作用而产生的，从应力角度考察，直接形成节理的应力只有俩种；一是剪应力，一是张应力。由此，根据节理的力学成因，可将其分为剪节理和张节理俩种。剪节理是由剪切面进一步发展而成，理论上，剪节理应成对出现，自然界里实际情况也经常如此，不过，两组剪节理的发育程度可以不等，剪节理的峰值摩擦角一般为 3050，残余摩擦角一般为 2040。剪节理具有如下主要特征：（1）剪节理产状较稳定，沿走向延伸较远，当穿过岩性差别显著的不同岩层时，其产状可能发生改变，反映岩石性质对剪节理方位有一定程度的控制作用。（2）剪节理面平直光滑，这是由于剪节理是剪
