隧道开挖卸荷损伤对围岩力学参数的影响及数值分析

摘要

我国隧道及地下工程事业发展快速，隧道开挖施工中遇到的工程问题也随之增多。数值模拟作为一种重要的岩土工程研究手段，常用于隧道及各种地下洞室围岩的稳定性分析中。大量的工程实例都表明，隧道开挖卸荷使得围岩的力学参数发生劣化。对于常规的数值模拟，计算过程中力学参数保持不变，这与工程事实不符。本文通过室内岩石损伤试验，借助声发射技术，研究岩石受压过程中的损伤特性。从连续介质损伤力学的角度出发，探究力学参数的损伤演化规律，采用数值试验验证计算方法的合理性和可靠性，最后应用于隧道开挖施工过程中。主要研究内容如下：
　　（1）论述了论文的选题依据和研究意义。大量的工程实例都表明，地下洞室或隧道开挖的过程中，其围岩的基本力学性质会逐渐劣化。鉴于这一工程事实，从连续介质损伤力学的角度出发，提出了以岩石力学参数动态损伤修正为基础的动态损伤数值模拟方法。
　　（2）通过室内岩石单轴压缩试验，借助声发射监测技术，探究受压岩石损伤破坏过程。在同一时间轴下整合应力、应变与声发射特征参数，利用声发射累积振铃计数推导出受压过程中岩石各阶段的损伤变量，结合Weibull统计分布公式拟合出累积应变与损伤变量的数学关系式。
　　（3）阐述隧道围岩的破坏机理。分析隧道开挖引起的应力重分布与卸荷回弹，造成围岩应力环境逐渐恶化，围岩逐渐变形破坏的过程。借助损伤力学理论，利用Lemaitre的应变等效假说的思想和Mohr-Coulomb强度理论，推导出岩石变形模量、粘聚力和内摩擦角与损伤变量的关系式。引入损伤变量，推演弹塑性损伤本构方程，并得到含有损伤变量的应力增量迭代公式和屈服应力计算函数。
　　（4）以FLAC3D软件为模拟计算平台，进行二次开发应用，编写损伤计算函数和力学参数动态损伤修正的程序。模拟岩石单轴压缩试验，通过对比常规数值模拟、动态损伤模拟和室内试验结果，验证基于力学参数损伤修正的动态损伤数值模拟方法的合理性和可靠性。
　　（5）以实际隧道工程为例，建立三维数值分析模型，对隧道的开挖过程分别进行常规数值模拟和动态损伤数值模拟，从应力、位移、塑性破坏区分布特点以及损伤特性等方面进行对比分析。然后结合监测数据，对比拱顶沉降和周边收敛的监测值与数值模拟值，进一步验证了动态损伤数值模拟的可行性。
　　最后，总结了本文研究成果，以及文中的一些缺陷与不足。
　　本文借助连续介质损力学理论，以岩石力学参数的动态损伤演化为着手点，进行了隧道开挖围岩稳定性的动态损伤数值模拟，计算结果可为工程设计和施工提供一些参考。

目录

第一章 绪论

1.1选题依据和研究意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容与技术路线

第二章 岩石损伤试验研究

2.1试验条件

2.2试验步骤

2.3试验结果处理与分析

2.4本章小结

第三章 基于围岩破坏特性的力学参数损伤演化研究

3.1隧道围岩破坏机理概述

3.2岩石力学参数损伤演化特征

3.3弹塑性损伤本构方程

3.4本章小结

4.1 FLAC3D 基本原理

4.2岩石力学参数损伤修正的实现过程

4.3岩石单轴压缩数值模拟验证

4.4本章小结

第五章 工程实例

5.1工程概况

5.2研究区工程地质条件

5.3隧道数值模型建立与计算

5.4隧道开挖数值模拟结果分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

声明

附录