随机介质变形破坏判据研究及其工程应用

摘要

随着我国工程建设规模的扩大，工程建设的安全问题越来越引起人们的重视。目前工程安全评价不仅要从岩体强度的角度去分析岩体的稳定性或失稳的概率大小及其相应的安全开采措施，还应对周边的重要工业设施、建筑设施等的影响进行评价，否则可能会造成巨大的经济损失。本文在前人研究的基础上，指出了目前岩体应力破坏判据的不足之处及应变破坏判据的优势，提出了随机介质变形破坏判据。同时，利用随机介质理论对地下开挖引起的地表及岩体的移动和变形计算进行了系统的研究。主要研究成果和结论如下： 1．提出了随机介质变形破坏判据，该判据不仅可避开复杂的本构关系，与应力水平无直接关系，完全用变形来表示，而且它能够正确的反映岩土体固有的变形特性，能够直接用变形进行稳定性评价。并对地表移动和变形的限值和建筑物的保护等级作了详细阐述，为评价地下开挖引起的环境安全问题提供了依据。 2．对随机介质理论作了简介，针对随机介质理论中各个移动及变形计算公式的不可积性，目前大多只用于平面问题的计算中，提出了利用随机介质理论进行地表及岩土体的位移和变形的空间问题计算方法，并以单元开挖为基础，考虑沿倾斜方向深度的变化及开采影响沿岩层法线方向传播的性质，推导出了水平薄层矩形开挖及倾斜薄层矩形开挖引起的地表及岩土体的位移和变形计算的半解析解。 3．将随机介质理论及安全判据应用于地下开采工程中，对国内外的采动影响对象保护等级标准作了详细的阐述。基于随机介质理论推导了开采影响下单个剖面上的岩体内部的移动和变形计算公式，考虑了水平剖面及倾斜剖面上的情况及留设煤柱的影响，并对双向非充分开采时岩土体的移动和变形作了一定的探讨。 4．推导了倾斜梯形开挖引起的地表及岩体内部的移动和变形计算公式的半解析解；在此基础上推导出了棱台矿柱开挖引起的地表及岩体内部移动和变形计算的半解析解，为煤层的开采及保安矿柱的优化设计提供了理论依据。同时对地表及岩体内部移动基本参数的物理意义及求解方法作了进一步的阐述，并总结了国内外矿山的地表及岩体内部移动基本参数的取值。 5．将随机介质安全判据应用于露天开挖工程中，提出了开挖边坡破坏判据及周边环境评价准则，推导了各种情况的边坡开挖及基坑开挖引起的地表及岩土体的移动和变形计算的半解析解。同时，提出了开挖影响效应减小系数的概念，可以考虑边坡或基坑等工程所采用的加固措施对岩土体的位移和变形的影响。 6．对隧道开挖引起的地表及岩土体的位移及变形问题作了进一步的研究，推导了隧道轴线水平及轴线倾斜等情况的隧道开挖引起的地表及岩土体的移动和变形的三维计算公式，其中考虑了圆形、圆拱形、椭圆形、椭圆拱形、直墙形、圆拱直墙形及椭圆拱直墙形等各种隧道断面的情况，可用于单孔隧道及多孔隧道开挖的计算。 7．编写了计算机程序，以定义各位移和变形函数的方式实现了本论文所推导的所有地表及岩土体的移动和变形的公式的计算。在计算过程中，只需调用相关函数进行计算，可方便的画出计算区域内的任意剖面上的位移和变形曲线，或某个区域上的位移及变形三维图、等值线图等，可方便的找出某个区域内某个变量的最大值或最小值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.1.1概述

1.1.2地下开挖对邻近建筑物的影响

1.1.3岩体主要的破坏判据简介

1.2开挖引起的岩土体移动理论发展介绍

1.2.1国内外研究现状

1.2.2计算方法综述

1.2.3存在的问题

1.2.4发展趋势

1.3随机介质理论在工程中的应用

1.3.1地下矿山开采

1.3.2边坡及基坑工程开挖

1.3.3隧道及地下空间开挖

1.4本文研究的主要内容

第二章随机介质变形破坏判据研究

2.1概述

2.2主要的岩石应力破坏判据及其适用性

2.2.1Mohr-Coulomb准则

2.2.2Griffith准则

2.2.3岩石强度经验破坏准则

2.3随机介质变形破坏判据

2.3.1岩石的破坏与应变过程的关系

2.3.2变形破坏判据

2.4地下开挖影响范围内岩土体及建筑物安全评判

2.4.1地表移动和变形对建筑物的影响

2.4.2地表移动和变形的限值和建筑物的保护等级

2.5本章小结

第三章开挖引起的地表及岩层移动与变形理论研究

3.1随机介质理论简介

3.1.1单元盆地下沉计算

3.1.2单元盆地水平移动与变形计算

3.1.3任意开挖引起的地表及岩体移动与变形

3.2地下开挖引起的岩体及地表移动与变形计算研究

3.2.1水平薄层矩形开挖引起的地表及岩体移动与变形

3.2.2倾斜薄层矩形开挖引起的地表及岩体移动与变形

3.2.3倾斜薄层任意形状开挖引起的地表及岩体移动与变形

3.3地下开挖引起的岩体及地表移动与变形计算程序开发

3.4本章小结

第四章地下开采引起的岩土体移动和变形计算及其采动对象的安全评价

4.1概述

4.2地下开采中影响对象的安全评判

4.2.1采动区建筑物协同变形研究

4.2.2采动影响对象保护等级标准

4.2开采影响下单个剖面上的岩体内部的移动与变形规律

4.2.1沿倾斜剖面上岩体的位移及变形

4.2.2沿走向剖面上岩体的位移与变形

4.2.3双向非充分开采时岩体的移动和变形

4.3倾斜梯形开挖引起的地表及岩体内部的移动与变形

4.4棱台矿柱开挖引起的地表及岩体内部的移动与变形

4.5地表及岩体内部移动基本参数的分析计算

4.5.1下沉系数η

4.5.2主要影响范围角正切tanβ

4.5.3水平移动系数b

4.5.4开采影响传播角θ

4.5.5主要影响范围指数n

4.6工程实例

4.7本章小结

第五章随机介质变形破坏判据在露天开挖工程中的应用

5.1概述

5.1.1确定性分析方法的发展

5.1.2随机分析方法的蓬勃发展

5.1.3模糊分析方法兴起

5.1.4计算机模拟技术在边坡中的应用

5.2开挖边坡岩体破坏的判据与周边环境安全评价准则

5.2.1露天开采周边环境安全评价的必要性

5.2.1边坡岩土体破坏判据与周边环境安全评价准则

5.3开挖边坡工程引起的地表及岩土体内部的移动与变形分析

5.3.1边坡体内部的位移场

5.3.2边坡体内部的变形场

5.3.3边坡体内部的位移场及变形场的计算方法研究

5.3.4计算参数的选择

5.4路堑边坡开挖引起的地表及岩土体内部的移动及变形

5.4.1边坡体内部的位移场

5.4.2边坡体内部的变形场

5.5一般开挖引起的地表及岩土体内部的移动及变形

5.5.1情况A开挖问题

5.5.2情况B开挖问题

5.5.3情况C开挖问题

5.5.4情况D开挖问题

5.5.5情况E开挖问题

5.6基坑开挖引起的地表及岩土体内部的移动及变形

5.6.1基坑开挖引起的岩土体的移动场

5.6.2基坑开挖引起的岩土体的变形场

5.7工程实例

5.8本章小结

第六章随机介质变形破坏判据在隧道工程中的应用

6.1概述

6.2隧道施工对建筑物影响评价方法

6.2.1地表允许变形值的确定及建筑物损害程的控制标准

6.2.2评价方法

6.3隧道开挖引起的地表及岩土体的位移及变形平面问题研究

6.3.1圆(拱)形断面隧道完全塌落情况分析

6.3.2椭圆(拱)形断面隧道塌落情况分析

6.3.3矩形断面隧道塌落情况分析

6.3.4圆拱直墙断面隧道塌落情况分析

6.3.5椭圆拱直墙断面隧道塌落情况分析

6.3.6各种断面隧道开挖后不完全塌落情况分析

6.4隧道开挖引起的地表及岩土体的位移及变形空间问题研究

6.4.1轴线水平隧道开挖后完全塌落情况分析

6.4.2轴线倾斜隧道开挖后完全塌落情况分析

6.4.3隧道开挖后不完全塌落情况空间分析

6.5工程实例

6.6本章小结

第七章结论与展望

7.1主要研究成果和结论

7.2主要创新点

7.3进一步研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要的研究成果