节理岩体隧道施工过程三维数值模拟分析

摘要

岩体在最初形成以及长期的发展过程中，经历各种复杂地质构造作用，导致在岩体中存在有大量的断层、节理、裂隙等结构面，其中节理是岩体中力学强度相对薄弱的部位，它的存在破坏了岩体的连续性和完整性。同时作为工程岩体组成部分的节理本身，在几何和力学上也是错综复杂的。传统岩石力学方法，通常将节理岩体作简单弱化处理，将不连续的岩体当做连续体进行有限元数值分析，其计算结果与实际工程很大差异，很难科学地表征节理岩体的力学特性。
　　论文考虑工程节理岩体的几何和力学特性，推导出规则平行等距节理变形模量和强度参数计算公式，选取Hoek-Brown准则标定节理岩体力学参数的公式;同时基于现有技术手段采集节理信息数据，利用离散元3DEC分析平台，考虑节理岩体力学参数的影响，建立了节理岩体三维数值模型，详细数值模拟和讨论了工程岩体节理方位、数目对岩体力学特性的影响;对于工程节理岩体数值计算过程，模型尺寸效应非常明显，为此专门考虑隧道z轴方向为10m情况下，工程数值计算模型合理尺寸，模拟了不同尺寸的影响效果，为工程施工施工提供参考。
　　工程实例，结合辽宁境内四家子岩体隧道工程施工，首先利用现场岩体节理非接触测量和调查结果，利用上述推导的公式和数值分析方法，计算出四家子隧道围岩节理的力学参数，将参数应用到数值模拟中讨论应力增加值对弹性模量的影响，分析尺寸效应，得到数值模拟时最合理尺寸模型。考虑到该工程的具体施工过程，采用提出的方法和数值模型模拟了两种工况作用下，隧道围岩的受力情况。即数值模拟分析了无衬砌时块体滑落过程和有衬砌时衬砌的受力情况，为工程的顺利实施提供了借鉴。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 节理岩体特性的研究现状

1．3 节理岩体的数值模拟方法及进展

1．3．1 有限元方法对节理岩体的研究

1．3．2 离散元方法对节理岩体的研究

1．4 本文主要研究内容及思路

第2章 节理岩体数值计算理论模型

2．1 节理岩体的特性

2．1．1 节理岩体的力学特性

2．1．2 节理的间距与密度

2．1．3 节理岩体的表面形态描述

2．1．4 节理岩体的工程特性

2．2 节理岩体的破坏模式

2．3 节理岩体的地质力学分类

2．4 节理岩体屈服准则与本构模型的选取

2．4．1 Mohr-Coulomb屈服条件

2．4．2 Drucker-Prager准则的屈服条件

2．4．3 3DEC中的本构模型

2．4．4 本文本构模型的选取

2．5 本章小结

第3章 节理岩体数值模型力学参数标定

3．1 离散元法

3．2 应用3DEC离散元软件确定的节理力学参数

3．3 节理岩体的变形参数

3．3．1 引入损伤力学概念的变形模量

3．3．2 规则平行等距节理岩体的变形模量

3．4 节理岩体强度参数的选取

3．4．1 Hoek-Brown强度准则的判断

3．4．2 莫尔-库伦强度准则理论

3．4．3 节理粘聚力与摩擦角的确定

3．5 本章小结

第4章 岩体节理方位及其模型尺寸效应

4．1 节理岩体的块体尺寸特征分析

4．1．1 结构面的分布特征

4．1．2 块体的大小的分布规律

4．2 边界条件对数值模拟的影响分析

4．2．1 边界条件及网格划分

4．2．2 位移边界条件

4．3 节理数与节理产方位对岩样强度影响

4．4 模型尺寸的影响分析

4．4．1 模型的建立

4．4．2 计算原理

4．4．3 计算结果分析

4．5 本章小结

第5章 节理岩体数值模拟验证

5．1 研究内容

5．2 离散元建立模型分析

5．2．1 3DEC建立模型

5．2．2 施工步骤

5．2．3 模拟结果分析

5．3 本章小结

第6章 四家子隧道开挖的三维数值分析

6．1 工程概况

6．1．1 工程概况

6．1．2 工程水文地质条件

6．1．3 区域地质概况

6．1．4 隧道设计要求

6．2 隧道施工方法

6．2 岩体节理走向图

6．3 隧道开挖全过程离散元模拟分析

6．3．1 离散元节理模型建立

6．3．3 开挖稳定性模拟分析

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

附录