隧(巷)道开挖扰动区(EDZ)形成过程及机理的研究

摘要

目前，公路、铁路隧道工程建设以及采矿工程中巷道工程设计、施工、稳定性评价及其支护措施等都直接依赖于对围岩岩体的强度、变形、岩体损伤与破裂规律等特征的研究。开挖扰动区岩体的研究是一个前沿热点研究课题，但目前尚无成熟的系统研究方法。
　　 本文在对开挖扰动区(EDZ)国内外研究现状进行了较为全面回顾的基础上，对开挖扰动区的相关理论进行了系统分类和归纳，对隧道开挖扰动后围岩的破坏模式及稳定性判据进行了全面分析，总结了以往研究方法及有关模型的优缺点，提出了开挖扰动区研究的本质和特点。从岩石材料的细观结构入手，利用细观力学的研究方法，抓住岩石材料及其力学性质的非均匀性，借助于统计学和现有的数值计算方法，以理论分析和实验结果及现场实测数据为基础，结合隧道开挖、采矿工程巷道施工维护工程实例，建立数值模型，进行围岩开挖扰动区的变形、破坏过程的数值分析，研究了扰动区的形成过程、机理及扰动范围。
　　 本文从开挖载荷诱发岩石损伤与破裂过程入手，在建立卸荷作用下围岩拉应力区、剪应力区损伤本构关系基础上，研究了不同断面隧道开挖扰动诱发的应力积累和应力迁移等规律，重点对连续岩体、含节理岩体、层状岩体中隧道开挖卸荷的扰动区形成过程和机理进行了研究，阐述了隧道围岩中弱结构体的存在使围岩变形和松动区形态发生奇异变化的影响规律。针对不同的岩体类型，具体分析了开挖后岩体的位移场、应力场变化，并阐释了从弹性区到塑性区以至发生破裂产生残余变形过程的力学演化规律。同时考查了巷道开挖卸荷围岩的蠕变效应，及在动态应力波作用下巷道的失稳破坏过程。
　　 本文的研究成果将充实岩体力学等相关学科的基础理论，提高开挖扰动区(EDZ)研究的水平和应用范围，为隧（巷）道设计施工、地质灾害预测预报提供重要参考价值，具有一定的理论价值和实践意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 问题的提出及选题的意义

1.2 研究现状

1.2.1 岩土工程开挖问题研究现状

1.2.2 具有结构面的岩体性质研究现状

1.2.3 隧道围岩蠕变损伤研究现状

1.2.4 隧道围岩稳定性分析方法研究现状

1.3 研究现状评述

1.4 研究思路、方法及内容

1.4.1 研究思路

1.4.2 研究方法

1.4.3 研究内容

本章小结

参考文献

第二章 开挖扰动区理论分析

2.1 开挖扰动区的基本理论

2.1.1 开挖扰动区的概念

2.1.2 围岩塑性圈的确定

2.1.3 围岩变形及破坏的形式及特点

2.2 隧道开挖围岩的力学分析

2.2.1 围岩重分布应力

2.2.2 围岩压力计算

2.2.3 围岩抗力与极限承载力

2.3 围岩位移场分析

2.3.1 弹性位移计算

2.3.2 塑性位移计算

2.4 隧道围岩损伤破坏分析

2.4.1 弹性力学方法

2.4.2 弹塑性力学方法

本章小结

参考文献

第三章 隧（巷）道开挖数值模型

3.1 建立数值模型的思路

3.2 岩石材料力学参数的赋值

3.3 岩石材料细观单元本构模型

3.3.1 岩石的应力-应变关系

3.3.2 岩石材料的屈服准则

3.3.3 岩石材料的破坏准则

3.3.4 岩石材料变形场控制方程

3.4 数值模型的建立

3.4.1 开挖的模拟

3.4.2 裂纹萌生扩展的模拟

3.4.3 声发射的数值模拟

本章小结

参考文献

第四章 连续岩体隧道开挖扰动区研究

4.1 单孔隧道分析

4.1.1 单孔隧道开挖的模型设置

4.1.2 数值模型验证

4.1.3 岩性对隧洞开挖扰动区的影响

4.1.4 连续岩体隧道围岩应力的解析方法

4.1.5 侧压力系数对扰动区的影响

4.1.6 不同断面形状隧道开挖扰动区形成过程

4.2 双孔隧道分析

本章小结

参考文献

第五章 非连续岩体开挖扰动区研究

5.1 层状岩体开挖扰动区研究概述

5.2 层状岩体应力场分析与破坏处理

5.3 层状岩体中单一开挖空间扰动区

5.3.1 直墙拱形断面隧道分析

5.3.2 褶皱构造对隧道开挖扰动区的影响

5.4 层状岩体中组合开挖扰动区形成过程

5.5 节理岩体中开挖扰动区的研究

5.6 连续节理对扰动区影响研究

5.6.1 连续节理岩体中隧道模型的建立

5.6.2 数值试验结果及分析

5.7 断续节理影响分析

5.7.1 数值模型的建立

5.7.2 数值试验结果及分析

5.7.3 节理倾角对圆形隧道的影响

5.8 两组节理岩体中扰动区形成过程

本章小结

参考文献

第六章 隧道开挖扰动下蠕变特性研究

6.1 蠕变-损伤演化模型的建立

6.1.1 岩体的蠕变特性

6.1.2 细观单元的蠕变-损伤模型

6.1.3 蠕变方程

6.1.4 长期强度方程

6.1.5 岩石峰后区蠕变特性

6.2 细观损伤蠕变模型

6.2.1 细观单元力学性质的时效表达方程

6.2.2 细观单元损伤-时间演化方程

6.2.3 巷道开挖后蠕变分析

本章小结

参考文献

第七章 应力波作用下开挖扰动区特性研究

7.1 应力波在岩石介质中的特性

7.2 研究应力波问题的方法

7.3 应力波的破岩作用过程

7.4 应力波理论

7.4.1 经典弹性波

7.4.2 现代波动理论

7.4.3 应力波诱发岩爆

7.5 动态分析的有限元方法

7.5.1 平衡方程

7.5.2 运动方程

7.5.3 破坏准则

7.6 动态载荷下扰动区形成机理

7.6.1 圆形巷道单向动态载荷

7.6.2 圆形巷道单向动态局部载荷

本章小结

参考文献

第八章 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

致谢

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