含软弱夹层隧道围岩渐进破坏机理的多尺度模拟研究

摘要

隧道围岩的塌方是隧道施工过程中最为常见的灾害，其不仅对隧道施工及运营造成中断，更有可能导致生命财产受到损失。大量的隧道塌方实例表明，软弱夹层对隧道围岩稳定及施工安全有着决定性的影响。因此，开展含软弱夹层隧道围岩渐进性破坏机理方面的研究对隧道的设计和施工均具有十分重要的指导意义。
　　本文以常见的公路隧道Ⅳ级（含软弱夹层）、Ⅴ级（均质）围岩为研究对象，利用室内模型试验与多尺度数值模拟方法对含软弱夹层隧道围岩渐进性破坏机理进行研究，研究内容如下所示:
　　(1)对大量公路隧道塌方事故原因进行分析，说明软弱夹层对隧道围岩稳定性的影响较大，以及对其研究的必要性，查阅研究学者对此做出的研究，并总结其研究现状;
　　(2)根据连续体和非连续体的计算原理及各自的优点，提出了基于连续体和非连续体耦合多尺度的模拟方法，其以FLAC及PFC程序为实现平台，利用该方法对铜锣山隧道进行多尺度数值模拟分析，通过Kirsch公式验证该方法的准确性及合理性，并分析隧道围岩的损伤区域及位移变化规律，推导出耦合计算模型中非连续体的取值范围;
　　(3)以Ⅴ级（均质）公路隧道围岩为研究对象，用多种物质配制围岩的相似材料，研制了可用于全场观测围岩变形破坏的隧道物理模型试验方法，采用了以非接触全场应变测量技术和压力传感器相结合的测试方法，并利用该方法对均质隧道围岩开展破坏试验，研究了均质围岩隧道的渐进性破坏形态和机理;
　　(4)根据模型试验的相似比，配制Ⅳ级围岩及软弱夹层的相似材料，利用模型试验方法对含软弱夹层隧道围岩展开破坏试验，研究了含软弱夹层隧道围岩的渐进性破坏形态和机理，并分析了软弱夹层的作用效应;
　　(5)以Ⅳ（含软弱夹层）、Ⅴ（均质）隧道物理模型试验为基础，利用基于连续体和非连续体耦合的方法对其进行多尺度数值模拟，分别得到均质、含软弱夹层隧道围岩的塌落形态、位移和裂纹等演化规律，其结果与隧道物理模型试验大致相同，综合分析含软弱夹层隧道围岩渐进性破坏的形态及力学特征，并给出了含软弱夹层隧道设计及施工方法的建议。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状综述

1．2．1 围岩渐进性破坏方面的现状

1．2．2 模型试验研究现状

1．2．2 数值分析方法研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 主要创新点

1．5 本章小结

第二章 隧道围岩破坏多尺度数值模拟

2．1 围岩破坏多尺度数值模拟必要性及现状

2．2．1 多尺度数值模拟必要性

2．2．1 多尺度数值模拟现状

2．2 基于连续体-非连续体耦合的多尺度数值模拟方法

2．3 隧道实体工程多尺度数值模拟验证

2．3．2 模拟材料参数选取

2．3．3 多尺度数值模拟方案

2．3．4 多尺度数值模拟结果分析

2．5 本章小结

第三章 均质隧道围岩渐进性破坏模型试验研究

3．1 相似理论及模型试验相似比

3．1．1 相似理论三大定理

3．1．2 隧道模型试验相似比的确定

3．3 模型试验设计

3．3．1 试验模型装置

3．3．2 试验测试方法

3．3．3 试验方案与步骤

3．4 模型试验结果与分析

3．4．1 均质隧道围岩渐进性破坏过程

3．4．2 均质隧道围岩位移场变化规律

3．4．3 均质隧道围岩应变场变化规律

3．4．4 均质隧道围岩应力变化规律

3．5 本章小结

第四章 含软弱夹层隧道围岩渐进性破坏模型试验研究

4．1 模型相似材料的研制

4．2 模型试验设计

4．2．2 试验测试方法

4．3 试验方案与步骤

4．4 模型试验结果与分析

4．4．2 含软弱夹层隧道围岩位移场变化规律

4．4．3 含软弱夹层隧道围岩应变场变化规律

4．4．4 含软弱夹层隧道围岩应力变化规律

4．5 本章小结

第五章 隧道围岩渐进性破坏的多尺度数值模拟研究

5．2 均质隧道围岩破坏模型试验的多尺度数值模拟

5．2．2 均质隧道围岩破坏形态分析

5．2．3 均质隧道围岩位移分析

5．2．4 均质隧道围岩裂纹形态分析

5．3 含软弱夹层隧道围岩破坏模型试验的多尺度数值模拟

5．3．2 含软弱夹层隧道围岩破坏形态分析

5．3．3 含软弱夹层隧道围岩位移分析

5．3．4 含软弱夹层隧道围岩裂纹形态分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果