含结构面隧洞围岩损伤演化和时效破坏的数值模拟研究

摘要

基于对岩石长期强度的认识，从岩石的强度、弹模等物理力学性质受环境因素影响随时间劣化以及岩石内部细观损伤积累的角度出发，通过引入岩体细观表征单元体的强度退化方程，应用RFPA数值模拟方法，研究隧洞围岩的损伤演化与时效破坏机制。
　　首先，模拟了岩石的单轴压缩蠕变试验和隧洞的时效变形破坏过程，并分别与相应的物理试验结果进行了对比，数值模拟结果很好地反映了软弱岩石典型蠕变的三阶段:初始、稳定和加速阶段;隧洞数值模拟试验得到了拱顶、拱底以及两侧帮的时效变形特征曲线，与实际物模试验结果表现出了较好的一致性。作为参数分析，进一步模拟分析了侧压系数对隧洞时效损伤破坏特性的影响，模拟结果显示，随着侧压系数的增大，隧洞左右边墙间的收敛位移逐渐增大，而隧洞拱项拱底间的闭合位移随侧压系数的增大逐渐减小，并对隧洞围岩的局部的细观损伤演化过程及宏观时效破坏模式做出了清晰的解释。
　　其次，研究了软弱夹层的分布对隧洞围岩损伤演化和时效破坏的影响，发现隧洞周围应力场和位移场分布的对称性在软弱夹层的影响下发生明显的改变，出现向软弱夹层附近“迁移”的现象，使得洞室与软弱夹层之间形成高应力集中区，进而造成临近软弱夹层一侧岩体的位移和破坏程度明显增大;由于软弱夹层分布位置的不同，隧洞围岩的时效损伤破坏模式也出现明显的差异。作为参数分析，进一步模拟分析了软弱夹层厚度对隧洞围岩时效损伤破坏特性的影响，模拟结果显示，随着软弱夹层厚度的增加，隧洞的拱顶、两侧边墙位移不断地增大，隧洞的破坏程度也越来越严重，夹层厚度对隧洞时效损伤破坏的影响显著增大。
　　进而，模拟分析了节理分布倾角对隧洞围岩的损伤演化和时效破坏机制的影响，发现在节理的影响下，隧洞开挖后，围岩的应力分布规律发生明显的改变;节理为水平节理时，隧洞以两侧边墙片帮破坏为主;随着节理面倾角的变化，隧洞围岩的的时效损伤破坏模式也发生了明显的变化，隧洞损伤破坏区随节理倾角的增大相应旋转;当节理方向竖直时，隧洞破坏主要集中于拱顶和拱底部位，出现了严重的冒顶和底鼓现象。同时，在节理面的影响作用下，隧洞周围围岩的位移发生明显的变化，并且随着节理倾角的增大，隧洞位移呈现出先增后减的大致趋势。
　　最后，以伊朗Taloun公路隧道的服务隧洞为工程背景，对其进行了损伤演化和时效破坏特性的实例分析。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景和研究意义

1．2 隧洞围岩时效损伤破坏特性的研究进展

1．2．1 理论研究

1．2．2 模型试验研究

1．2．3 数值模拟研究

1．3 影响隧洞围岩时效损伤破坏特性因素的研究进展

1．4 研究现状评述与本文研究内容

1．4．1 研究现状评述

1．4．2 本文研究内容

2 岩石长期强度退化模型

2．1 岩石长期强度退化模型

2．1．1 岩石细观单元强度退化方程

2．1．2 岩石细观单元弹性损伤-时间演化方程

2．2 岩石单轴压缩蠕变试验的数值模拟

2．3 本章小结

3 完整岩体中隧洞围岩损伤演化和时效破坏特性研究

3．1 隧洞模型时效变形破坏的数值模拟

3．2 侧压系数对隧洞围岩损伤演化和时效破坏特性的影响

3．2．1 数值模型的建立

3．2．2 隧洞围岩的损伤演化和时效破坏特性

3．2．3 侧压系数对隧洞位移的影响

3．3 本章小结

4 含软弱夹层岩体中隧洞围岩损伤演化和时效破坏特性研究

4．1 软弱夹层分布对隧洞围岩损伤演化和时效破坏特性的影响

4．1．1 数值模型的建立

4．1．2 软弱夹层分布对隧洞位移的影响

4．1．3 隧洞围岩的损伤演化和时效破坏特性

4．2 软弱夹层厚度对隧洞围岩损伤演化和时效破坏特性的影响

4．3 本章小结

5 节理岩体中隧洞围岩损伤演化和时效破坏特性研究

5．1 数值模型的建立

5．2 节理分布倾角对隧洞围岩的损伤演化和时效破坏特性的影响

5．3 节理分布倾角对隧洞位移的影响

5．4 本章小结

6 隧洞工程实例分析：以伊朗Taloun公路隧道的服务隧洞为例

6．1 Taloun服务隧洞工程的地质概况

6．2 数值模型的建立

6．3 隧洞围岩的损伤演化与时效破坏特性

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢