多场耦合下层状岩体损伤破裂过程及隧道开挖损伤区评估

摘要

针对层状岩体隧道在多场耦合作用下发生格栅架扭曲变形、拱顶喷射混凝土开裂及底鼓等大变形现象，综合应用室内试验、数值模拟、理论分析、物理模拟和现场检测等方法，辅以SEM和CT扫描等细观试验手段，先后研究了层状含水页岩和层状复合岩体的损伤特性、隧道支护结构的支护作用机理和隧道开挖损伤区的计算与检测方法。根据试验结果建立了渗流-应力-损伤（HMD）耦合模型，对多场耦合（HMD）及支护结构共同作用下的层状含孔洞试件进行真三轴数值计算研究，分析其损伤演化规律。将数值计算模型应用于现场隧道开挖损伤区（EDZ）计算，并通过地质雷达和岩体三维超声成像检测对数值模拟计算结果进行验证，结果表明，数值计算模型现场应用效果较好。取得的主要成果如下：
　　①层状岩体的强度参数和渗流特性均与其层理角度和含水率密切相关。含水率对其强度参数的损伤作用呈现出线性关系，即含水率越高，其强度近似呈直线下降；而层理对其强度特性的影响则相对较为复杂，总体来说，其抗压和抗拉强度随层理角度的增加呈先减小后增加的趋势。通过对含层理不同含水率页岩的微观结构分析得到了上述变化规律的内在机理，即页岩层理面处的内部矿物颗粒遇水膨胀，产生膨胀力作用，使页岩内部结构变得松散、破碎，微裂纹逐渐增多、变宽，宏观表现为次生裂纹的增多，矿物颗粒间的粘结力也在水的作用下降低从而使页岩的强度下降、变形加剧。
　　②基于微观结构方法，引入能够反映材料内部颗粒和微裂纹分布的微结构张量，应用该张量定义岩石的各向异性参数，并将各向异性参数引入到Drucker-Prager屈服准则，该屈服准则可以考虑岩石的固有各向异性。应用Weibull分布随机统计函数推导了页岩的损伤变量，并根据改进的Drucker-Prager屈服准则，建立了损伤本构模型。根据岩石渗透特点，采用逾渗理论建立了渗透性演化方程。最后，在经典的Biot孔隙弹性理论基础上，通过引入损伤张量建立了渗流-应力-损伤耦合（HMD）模型。
　　③为分析隧道支护结构作用机理及其在层状和软弱岩体隧道中的支护特性，首先采用室内物理模拟试验方法研究了普通螺纹锚杆和钢花管锚固下的岩石在单轴压缩试验下的力学、变形特性，得到了锚杆对层状岩体的支护作用机理；之后通过钢拱架-混凝土组合梁的三点弯曲试验研究了格栅架和工字钢的抗弯性能，分析了钢拱架-混凝土组合梁在荷载作用下的破坏过程；最后通过现场锚杆轴力、围岩压力及钢拱架应力测试试验进一步分析了普通药卷锚杆、钢花管、格栅架和工字钢在层状岩体和粉质粘土中的支护特征。在上述试验所得对支护结构作用机理的认识基础上，采用相似模拟材料预制含孔洞加锚试件，进行了室内单轴压缩试验和CT扫描研究其强度、变形特征和裂纹扩展规律，应用3DEC数值模拟方法进行渗流-应力-损伤耦合下岩石的真三轴试验，分析了支护结构作用下含层理和孔洞试件的损伤演化过程及裂隙流的分布特征。
　　④采用3DEC数值模拟和物探方法对隧道现场层状围岩体开挖损伤区（EDZ）范围进行了计算和检测，二者吻合较好，表明所建立的3DEC模型可用于现场渗流-应力-损伤耦合（HMD）作用下层状围岩体工程问题分析，模拟结果可用于指导隧道设计施工。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状概述

1.3 研究内容及技术路线

2 层状含水岩石损伤特性试验研究

2.1试验研究工程背景

2.2试验方案设计

2.3 页岩微观结构

2.4单轴压缩试验结果

2.5 三轴压缩试验结果

2.6 巴西劈裂试验结果

2.7 层状复合岩体损伤演化规律

2.8 水对含层理页岩损伤机理分析

2.9 本章小结

3 含层理页岩的渗透性试验研究

3.1 引言

3.2 试验过程

3.3 试验结果

3.4 本章小结

4 页岩的各向异性屈服准则及渗流-应力-损伤耦合模型

4.1 页岩的各向异性

4.2考虑页岩固有各向异性的屈服准则

4.3 渗流-应力-损伤耦合模型

4.4 本章小结

5 隧道支护结构作用机理试验研究

5.1引言

5.2单轴压缩下锚杆类型对加锚岩石力学性质影响

5.3钢拱架-混凝土组合梁抗弯性能分析

5.4 支护结构对层状岩体隧道支护特性现场试验研究

5.5 本章小结

6 含孔洞加锚岩石力学特性及裂纹扩展规律

6.1 试件制备及试验过程

6.2 试验结果

6.3 HMD耦合下真三轴数值模拟试验

6.4 支护结构对试件锚固作用机理

6.5 讨论

6.6 本章小结

7 层状岩体隧道开挖损伤区模拟与测试

7.1 引言

7.2 开挖损伤区定义

7.3 EDZ数值模拟分析

7.4 EDZ现场评估

7.5 本章小结

8 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 主要创新点

8.3 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者攻读博士期间发表的学术论文

B. 作者攻读博士学位期间申请的专利

C. 作者攻读博士期间参加的科研项目

D.作者攻读博士学位期间获得的奖励