Badanie krzywej odpowiedzi gruntu (GRC) w oparciu o model pękania skał

Abstract

Analysis of stresses and displacements around underground openings is necessary in a wide variety of civil, petroleum and mining engineering problems. In addition, an excavation damaged zone (EDZ) is generally formed around underground openings as a result of high stress magnitudes even in the absence of blasting effects. The rock materials surrounding the underground excavations typically demonstrate nonlinear and irreversible mechanical response in particular under high in situ stress states. The dominant cause of irreversible deformations in brittle rocks is damage process. One of the most widely used methods in tunnel design is the convergence-confinement method (CCM) for its practical application. The elastic-plastic models are usually used in the convergence-confinement method as a constitutive model for rock behavior. The plastic models used to simulate the rock behavior, do not consider the important issues such as stiffness degradation and softening. Therefore, the use of damage constitutive models in the convergence-confinement method is essential in the design process of rock structures. In this paper, the basic concepts of continuum damage mechanics are outlined. Then a numerical stepwise procedure for a circular tunnel under hydrostatic stress field, with consideration of a damage model for rock mass has been implemented. The ground response curve and radius of excavation damage zone were calculated based on an isotropic damage model. The convergence-confinement method based on damage model can consider the effects of post-peak rock behavior on the ground response curve and excavation damage zone. The analysis of results show the important effect of brittleness parameter on the tunnel wall convergence, ground response curve and excavation damage radius.Analiza naprężeń i przemieszczeń powstałych wokół otworu podziemnego wymagana jest przy szerokiej gamie projektów z zakresu budownictwa lądowego, inżynierii górniczej oraz naftowej. Ponadto, wokół otworu podziemnego powstaje strefa naruszona działalnością górniczą wskutek oddziaływania wysokich naprężeń, nawet w przypadku gdy nie są prowadzone prace strzałowe. Reakcja materiału skalnego znajdującego się w otoczeniu wyrobisk podziemnych jest zazwyczaj procesem nieliniowym i nieodwracalnym, zwłaszcza w stanach wysokich naprężeń in situ. Główną przyczyną nieodwracalnych odkształceń skał kruchych jest pękanie. Jedną z najczęściej stosowanych metod w projektowaniu tuneli (wyrobisk podziemnych) jest metoda konwergencji i zamknięcia, popularna ze względu na zakres zastosowań. Metoda ta zazwyczaj wykorzystuje modele sprężysto- plastyczne, jako konstytutywne modele zachowania skał. Modele plastyczne wykorzystywane dotychczas do symulacji zachowania skał nie uwzględniają pewnych kluczowych aspektów, takich jak obniżenie sztywności czy rozmiękczanie. Dlatego też zastosowanie konstytutywnych modeli w metodzie konwergencji i zamknięcia jest sprawą kluczową przy projektach obejmujących struktury skalne. W pracy tej omówiono podstawowe założenia modelu continuum uszkodzeń i spękań. Zaimplementowano wielostopniową procedurę do badania tunelu o przekroju kolistym znajdującego się pod polem naprężeń hydrostatycznych, przy wykorzystaniu modelu pękania górotworu. Krzywą odpowiedzi gruntu oraz promień strefy naruszonej wybieraniem obliczono przy wykorzystaniu izotropowego modelu uszkodzeń. Metoda konwergencji i zamykania oparta na tym modelu uwzględnia zachowanie skał po wystąpieniu szczytowych naprężeń i powstaniu strefy naruszonej wybieraniem. Analiza wyników wykazała znaczny wpływ parametrów związanych z kruchością na konwergencję ścian wyrobiska, kształt krzywej odpowiedzi gruntu oraz promień strefy naruszonej wybieraniem