断层破碎带隧道围岩变形破坏机理研究

摘要

随着我国隧道及地下工程建设的日益增加，施工中常常需要穿越不良地质地段，如断层破碎带、泥化夹层、富水岩溶和软岩地段等。其中断层破碎带的岩体受节理裂隙切割程度高，易沿不连续面发生变形与滑移破坏。在这种地层中进行隧道施工，极易引发围岩滑动失稳，甚至是隧道整体坍塌等施工灾害。本文以南湾隧道工程为依托，着重分析花地断裂带的隧道围岩稳定性。首先通过对隧道断层破碎带进行现场取样和室内试验，用以分析研究岩石的物理力学特性及变形破坏形态。再采用水泥砂浆制作预制节理岩体试件，研究节理的几何特性及力学参数对岩体物理力学特性及变形破坏形态的影响。通过离散元软件PFC2D对上述的室内岩石试验及节理岩体模型试验进行仿真模拟分析。最后再对南湾隧道断层破碎带的开挖进行模拟，用以研究断层与隧道的相对位置对于隧道围岩的裂隙扩展规律及变形破坏机理的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴通过对断层破碎带现场采集的岩样进行单轴、三轴及循环加载试验，用以得到不同围压以及反复荷载对于岩石的力学特性及变形破坏机理的影响。试验结果表明:围压的增大使得岩石的峰值强度及弹性模量有明显增加，反复荷载作用下的岩石试件产生了疲劳破坏，其峰值强度有明显下降。⑵通过采用水泥砂浆等材料制作节理岩体模型试件，并进行室内模型试验，用以得到节理的角度、长度及填充物的种类对于岩体的力学特性以及破坏模式的影响。试验结果表明:节理角度为45°左右时，其岩体峰值强度最低，且破坏形式为剪切破坏为主;节理填充物的存在提高了节理岩体的弹性模量及峰值强度。⑶采用离散元PFC2D软件对模拟岩石试件进行单轴及三轴的仿真模拟试验，并与室内试验进行对比分析，验证该软件研究岩石力学特性及变形破坏机理的可靠性，并得出岩石的裂隙扩展分布规律;再对不同尺寸岩石进行单轴加载模拟试验，扩展分析岩石尺寸的变化对于岩石的力学特性及破坏模式的影响;最后对不同角度及长度的节理岩体进行模拟仿真试验，并与节理岩体模型试验进行对比分析，验证该软件研究节理岩体力学特性及变形破坏机理的可靠性。模拟结果表明:岩石在外荷载作用下，其裂隙扩展曲线呈现“S”型，裂隙数量一般在岩石达到峰值强度后的短时间内快速增加;随着岩体试件高宽比的增加，岩体的峰值强度减小，而弹性模量明显增加。⑷采用离散元PFC2D软件对南湾隧道断层破碎带进行开挖模拟，并与其监控量测数据进行比较分析，研究断层与隧道的相对位置对围岩的变形规律及裂隙扩展分布规律的影响，并研究锚杆支护及衬砌支护措施对围岩的稳定性的影响。最后通过PFC2D模拟分析无支护条件下其节理隧道围岩潜在的变形破坏演化规律以及断层与隧道相对位置的变化对于围岩破坏形态及裂隙扩展分布规律的影响。模拟结果表明:初期支护有利于围岩的稳定，抑制裂隙的萌生及扩展;断层破碎带与隧道开挖面相交时对于隧道的稳定性影响最大;节理周围的隧道围岩易沿着节理面发生滑动破坏且节理围岩的破坏存在时间效应。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 岩体变形破坏机理

1．2．2 室内岩石力学试验

1．2．3 离散单元法数值模拟

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 不同加载条件下的岩石变形破坏试验

2．1 试验方案

2．1．1 单轴压缩试验

2．1．2 常规三轴压缩试验

2．1．3 循环加载试验

2．2 试验材料及设备

2．2．1 试验材料

2．2．2 试验设备

2．3 岩石试验结果分析

2．3．1 岩石的单轴压缩试验结果分析

2．3．2 岩石的三轴压缩试验结果分析

2．3．3 岩石的循环加载试验结果分析

2．4 本章小结

第三章 断续节理岩体变形破坏试验

3．1 试验内容及设计

3．1．1 试验内容

3．1．2 试验方案

3．2 节理岩体制备及试验仪器

3．2．1 节理岩体试件制备

3．2．2 试验仪器及试验方法

3．3 节理岩体室内试验结果分析

3．3．1 节理角度对岩体破坏模式影响分析

3．3．2 节理长度对岩体破坏模式影响分析

3．3．3 节理填充物对岩体破坏模式影响分析

3．4 节理岩体数字照相

3．4．1 Vic-3D／2D数字照相原理

3．4．2 试验装置

3．4．3 节理岩体破坏形态结果分析

3．5 本章小结

第四章 基于室内试验的颗粒流模拟分析

4．1 颗粒流模拟室内试验的基本原理

4．1．1 PFC颗粒流数值模拟原理

4．1．2 颗粒流接触模型

4．1．3 数值模拟基本步骤

4．2 岩石室内试验颗粒流模拟

4．2．1 岩石室内试验颗粒流模拟方案

4．2．2 岩石室内试验模拟结果分析

4．3 岩体尺寸效应颗粒流模拟

4．3．1 不同高宽比的试件模拟方案

4．3．2 不同高宽比的试件模拟结果及分析

4．4 节理岩体室内试验颗粒流模拟

4．4．1 节理岩体室内试验模拟方案

4．4．2 数值模拟结果及分析

4．5 本章小结

第五章 断层破碎带隧道开挖数值模拟

5．1 工程简介

5．1．1 工程背景

5．1．2 断层节理

5．1．3 南湾隧道加固方案

5．2 南湾隧道断层破碎带开挖数值模拟

5．2．1 岩体及加固结构细观参数的选取

5．2．2 计算模型尺寸

5．2．3 模型边界条件假定

5．2．4 模拟结果分析

5．3 未支护断层破碎带隧道模拟分析

5．3．1 数值模拟方案

5．3．2 模拟结果分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文与研究成果