层状岩体地下洞室失稳机理及稳定性评价理论研究

摘要

地下洞室围岩稳定性评价及支护设计是岩土工程研究的热点和难点，国内外学者虽已在理论上和实践应用上对其进行了系统、全面的研究，并取得了许多高水平的研究成果，但针对层状岩体地下洞室的研究却不够系统。本文针对西部地区普遍存在的层状岩体，总体遵循“理论研究—数值模拟—工程应用”的技术路线，系统研究了层状岩体地下洞室失稳机理及稳定性评价理论，取得以下结论和认识。 (1)根据层状岩体的破坏机理及洞室轴线与岩层产状之间的关系，将层状岩体地下洞室划分为弯折—倾倒、弯曲—溃屈、边墙弯折及溃屈、底板鼓起4种典型破坏模式，并提出了各破坏模式的围岩稳定性判据、分析了影响因素。 (2)缓倾角岩层中洞室的轴线与岩层走向垂直时，可运用极限平衡法计算洞顶与边墙落石破坏时的稳定性系数。对洞室整体稳定性，以弹塑性计算理论得出洞室围岩位移计算公式，可依据规范判断围岩稳定性。当洞室轴线与岩层走向平行时，可采用块体平衡理论评价结构面较发育区段所形成不同形态结构体的稳定性，并通过算例说明了具体计算步骤。 (3)以FLAC二维分析程序模拟了典型的水平、倾斜、竖直层状岩体地下洞室的围岩位移，并根据位移判据评价了洞室围岩的稳定性。在说明数值模拟结果正确性的同时，基本验证了顶板折断，边墙溃曲等层状岩体地下洞室的破坏模式等正确性。 (4)在分析地下洞室锚喷支护原理的基础上，探索了锚杆在层状岩体地下洞室中的支护原理。重点针对层状岩体地下洞室拱顶和边墙落石破坏模式，阐述了普通锚杆和预应力锚杆的计算方法，及喷层厚度和锚杆布置根数的计算方法。 本论文首次对层状岩体地下洞室失稳机理及稳定性评价理论开展了较全面系统的研究，对切实解决工程难题、指导工程实践、发展洞室支护理论均有重要的理论意义、现实意义和广阔的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题依据及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1地下工程岩石力学理论研究

1.2.2围岩稳定性研究

1.2.3支护设计理论

1.3研究思路与方法

1.3.1研究内容

1.3.2研究思路与方法

2层状岩体地下洞室破坏模式

2.1概述

2.2洞室围岩破坏模式

2.3层状岩体地下洞室开挖方向与岩层产状的关系

2.3.1层状岩体的结构特征

2.3.2洞室轴线与地质结构面关系

2.4层状洞室围岩失稳机理与破坏模式

2.4.1层状岩体洞室的失稳机理

2.4.2层状岩体洞室破坏模式

2.5地下洞室稳定性判据

2.5.1围岩强度判据

2.5.2围岩极限应变判据

2.5.3围岩位移判据

2.6洞室围岩失稳的影响因素

2.6.1岩石性质

2.6.2岩体结构与地质结构

2.6.3地下水的影响

2.6.4地应力的影响

2.6.5人为因素的影响

2.7本章小结

3层状岩体洞室围岩稳定性评价

3.1概述

3.2极限平衡法

3.2.1局部落石破坏的稳定性计算

3.2.2顶板折断破坏的稳定性计算

3.2.3边墙溃曲的稳定性计算

3.2.4实例分析

3.3弹塑性理论解析法

3.3.1围岩稳定的评价思路与方法

3.3.2洞室的围岩应力计算

3.3.3层状岩体中软弱结构面对围岩重分布应力的影响

3.3.4围岩弹性位移计算

3.3.5侧压力系数λ=1时洞室围岩应力的弹塑性分析

3.3.6侧压力系数λ≠1时洞室塑性区边界的近似计算

3.3.7围岩塑性位移计算

3.3.8实例分析

3.4块体稳定分析方法

3.4.1块体的有限性判断

3.4.2块体的可动性解析判断准则

3.4.3块体稳定条件

3.4.4实例分析

3.5本章小节

4层状岩体洞室稳定性数值分析

4.1概述

4.2 FLAC基本原理

4.2.1拉格朗日算法

4.2.2求解过程

4.3层面的计算

4.4层状岩体洞室的数值模拟

4.4.1水平层状岩体的数值模拟

4.4.2倾斜层状岩体的数值模拟

4.4.3竖直层状岩体的数值模拟

4.5本章小结

5层状岩体地下洞室支护设计

5.1概述

5.2锚杆与锚索支护

5.2.1锚杆支护

5.2.2预应力锚索支护

5.3锚喷支护原理

5.4层状岩体地下洞室支护原理

5.4.1悬吊理论

5.4.2组合梁理论

5.5不稳定块体的锚喷支护计算方法

5.5.1锚喷支护的承载作用

5.5.2不稳定块体作用下锚喷支护的计算

5.6本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录