基于强度折减法的结构面影响下隧道围岩破坏机理数值试验研究

摘要

工程岩体往往被各种结构面所切割，使得工程岩体的性质具有明显的不均匀性。大量工程实践表明，在被结构面切割的岩体中开挖洞室后，常常出现洞室大变形、支护破坏，甚至洞室整体破坏失稳。因此，开展结构面影响下隧道围岩破坏机理研究对于采矿和地下结构工程实践都具有十分重要的意义。
　　 由于岩体表现出强烈的非均质性、各向异性和非连续性，采用解析的方法显然已经无法满足围岩稳定性分析的需要，而目前针对结构面对隧道稳定性影响的研究多是采用现场监测与相似材料模拟试验相结合或是采用统计的方法，这些方法多数只能给出研究的最终结果，而无法进行破坏过程演化机理的模拟与分析，从而使得许多理论与工程分析停留在“结果分析”上。尽管物理模型试验是工程结构破坏的主要研究手段，但物理模型试验不仅成本高、周期长，而且模型参数难以在有限个物理模型中调整，大大地限制了物理模型试验在隧道稳定性研究中的应用。更大的困难还在于，许多地质和工程诱发的灾害难以在实验室条件下进行物理模型试验研究。尽管国内外学者在围岩稳定性方面已经做了大量的工作，但是由于地下工程的复杂性，对于围岩的破坏机理至今并没有完全认识清楚，尤其是对受结构面影响下隧道围岩的渐进性破坏规律的认识仍然比较模糊。
　　 因此，本文抓住岩石为非均匀性材料的认识，采用损伤力学和统计理论的单元本构模型，利用能够反应岩体渐进破坏过程的岩石真实破坏过程分析软件(RFPA)数值模拟分析系统，利用有别于传统加载研究方式的强度折减方法，在现有理论基础上，将不良地质构造、地应力等因素与围岩的变形和损伤演化联系起来，通过在数值模拟中考虑围岩力学性质的逐步退化，建立了卸载作用下围岩变形、损伤与逐渐失稳破坏的分析模型，主要研究内容如下：
　　 将强度折减法应用于岩石隧道稳定性分析中，通过在数值模拟中考虑围岩力学性质的逐步弱化，研究了卸载作用下围岩变形、损伤与逐渐失稳破坏的机理和演化规律，对强度折减法在隧道稳定性分析中应用的可靠性作了充分评价，并阐明了它的优势；
　　 研究了层状顶板巷道围岩的变形破坏特征以及不同侧压、不同厚跨比条件下层状顶板的破坏机理；研究了位于被不同倾角软弱成层结构面切割的岩体中隧道的变形破坏特征在不同侧压比作用下的破坏失稳模式、隧道周边位移和隧道的安全储备问题，指出Goodman图解法判别层状岩体稳定性仅适用于水平地应力较小的情况。研究了水平地应力对深埋垂直板裂结构岩体中隧道围岩破坏机理的影响，指出了梁板理论应用于板裂结构岩体洞室稳定性评价的局限性。
　　 分析了隐含断层的分布位置和倾角对隧道围岩变形破坏机理及安全储备的影响；讨论了断层厚度和地应力对靠近隐含断层的隧道破坏失稳机制的影响并给出了含隐含断层岩体中隧道稳定性判别的方法。
　　 研究了被两组交叉节理切割的岩体中隧道围岩的稳定性及围岩破坏机制，研究了交叉节理的产状以及节理贯通程度对隧道破坏机制的影响，并分析了在不同侧压力系数条件下，隧道围岩的破坏机制和安全储备问题。
　　 基于联想1800高性能计算机，采用大规模科学数值计算方法，研究了互层状岩体中深埋单孔巷道和平行巷道围岩分区破裂现象的发生机制，揭示了分区破裂发生的条件及其影响因素。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 隧道围岩稳定的结构面影响

1.2.1 结构面的概念及分级

1.2.2 围岩的结构特征

1.2.3 隧道围岩失稳的特点及围岩破坏失稳的基本类型

1.2.5 影响隧道围岩稳定性的主要因素

1.3 围岩结构面研究综述

1.4 隧道围岩稳定性研究进展

1.5 本文的研究思路及主要开展工作

第二章 强度折减法在岩石隧道稳定性研究中的应用

2.1 RFPA强度折减法

2.1.1 真实破坏过程分析方法RFPA2D简介

2.1.2 RFPA方法的特点

2.1.3 岩石材料非均匀性的物理统计描述方法

2.1.4 岩土本构关系的细观统计损伤模型

2.1.5 RFPA强度折减法与传统有限元强度折减法的区别

2.2 围岩在开挖过程中的加载与卸载

2.2.1 围岩在开挖过程中的应力状态

2.2.2 完整岩体在加、卸载条件的数值试验

2.3 RFPA强度折减法的应用

2.3.1 数值模型及参数选取

2.3.2 模拟结果讨论

2.4 RFPA强度折减法模拟结果与实验结果的对照

2.5 本文采用RFPA强度折减法研究的优势

2.6 本章小结

第三章 层状岩体中隧道稳定性研究

3.1 巷道层状岩层顶板破坏机理分析

3.1.1 数值模型及参数选取

3.1.2 巷道层状顶板变形破坏特征

3.1.3 不同侧压条件下层状顶板破坏机理分析

3.1.4 不同厚跨比条件下层状项板的破坏机理分析

3.1.5 小结

3.2 倾角对倾斜层状岩体隧道稳定性的影响

3.2.1 数值模型及参数选取

3.2.2 具有不同倾角结构面围岩变形破坏特征

3.2.3 隧道典型部位的位移与应力比较

3.2.4 小结

3.3 侧压比对倾斜层状围岩隧道破坏模式及位移的影响

3.3.1 数值模型的建立

3.3.2 侧压比对隧道破坏模式的影响

3.3.3 侧压比对隧道各部位位移的影响

3.3.4 侧压比对隧道安全储备的影响

3.3.5 小结

3.4 深埋垂直板裂结构岩体中洞室破坏失稳机制研究

3.4.1 引言

3.4.2 深埋垂直板裂结构围岩中洞室破坏失稳机制

3.4.3 小结

第四章 隐含断层对隧道破坏机制的影响

4.1 引言

4.2 断层分布和倾角对隧道稳定性的影响

4.2.1 数值模型的建立

4.2.2 上部隐含断层对隧道稳定性的影响

4.2.3 下部隐含断层对围岩应力场和围岩破坏区域的影响

4.3 不同地应力水平下隐含断层对隧道稳定性的影响

4.4 隐含断层厚度对隧道位移及安全储备的影响

4.5 本章小结

第五章 节理岩体中隧道破坏机理研究

5.1 交叉节理分布对隧道围岩稳定性影响

5.1.1 数值模拟的建立

5.1.2 数值模拟结果分析

5.2 节理贯通程度对隧道稳定性的影响

5.2.1 数值模型的建立

5.2.2 模拟结果分析与讨论

5.3 地应力对节理岩体隧道变形特征的影响

5.3.1 数值模型的建立

5.3.2 数值模拟结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 互层岩体中深部巷道围岩分区破裂机制研究

6.1 概述

6.2 并行计算的硬件环境和软件环境

6.3 深部巷道围岩分区破裂机制

6.3.1 数值模型

6.3.2 模拟结果与讨论

6.4 互层状岩体中深部巷道围岩分区破裂机制

6.4.1 数值模型的建立

6.4.2 模拟结果与讨论

6.5 近距离深埋平行巷道围岩分区破裂机制研究

6.5.1 数值模型

6.5.2 模拟结果与讨论

6.6 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 后期工作与展望

参考文献

作者简介

致谢