公路隧道深竖井围岩岩爆机理及稳定性研究

摘要

岩爆是在高应力条件下地下工程围岩因开挖卸荷引起的重要地质灾害，给地下工程围岩的稳定性和施工安全带来严重威胁，也是岩石力学世界性难题之一。
　　 本论文以秦岭公路隧道2号竖井工程为主要研究背景，运用室内试验、理论分析和数值模拟等研究方法，从颗粒流和断裂力学角度研究了围岩应变型岩爆破坏机理，并对竖井围岩岩爆稳定性问题进行了分析，具有十分重要的工程应用价值和学术价值。本论文的主要研究工作为：
　　 (1)从工程现场取典型硬岩混合片麻岩，加工成标准试件，进行劈裂抗拉强度试验、单轴压缩变形试验和三轴压缩试验，掌握了混合片麻岩的基本力学参数，并重点分析了单轴压缩条件下混合片麻岩的脆性破坏过程和各裂纹临界应力值，为后续研究提供依据；
　　 (2)从岩性出发采用修正冲击能指标和岩爆物理模型试验评价了混合片麻岩的岩爆倾向性，并在三维有限元初始地应力场反演分析的基础上，采用Russenes和陶振宇岩爆判别准则进行竖井岩爆综合预测分析；
　　 (3)通过混合片麻岩细观力学参数标定和颗粒流模拟相似比研究，采用细观颗粒流软件PFC，进行了竖井岩爆细观机理研究，形象模拟了岩爆微裂纹萌生-微裂纹扩展、聚合-宏观裂纹形成的渐进破坏过程；
　　 (4)在混合片麻岩起裂和扩展机理分析基础上，采用滑动翼形裂纹模型进行了岩爆断裂力学机理研究，岩爆的断裂力学机理为通过裂纹与自由面和裂纹之间的相互作用使岩体局部应力状态不断调整而引起的断裂破坏；
　　 (5)基于岩爆的断裂力学机理和脆性岩体双线性强度准则，提出了双线性理想弹塑-弹脆本构模型，并利用FLAC内置的双线性应变软化遍布节理本构模型进行数值实现，对竖井不同深度处岩爆区大小进行了数值模拟研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1选题背景和研究意义

1.2国内外研究进展

1.2.1岩爆倾向性和岩爆预测研究

1.2.2岩爆破坏机理研究

1.2.3围岩岩爆稳定性研究

1.3存在的问题

1.4主要研究内容

1.5篇章结构

1.6论文创新点

1.7本章小结

第2章 混合片麻岩基本力学特性试验研究

2.1工程概况

2.2混合片麻岩基本力学试验

2.2.1劈裂抗拉试验

2.2.1单轴压缩变形试验

2.2.3常规三轴压缩试验

2.3混合片麻岩强度特征分析

2.3.1混合片麻岩完整岩石强度分析

2.3.2混合片麻岩岩体强度分析

2.4混合片麻岩脆性破坏过程特征分析

2.4.1混合片麻岩脆性破坏过程

2.4.2混合片麻岩裂纹发展临界应力确定

2.5本章小结

第3章 混合片麻岩岩爆倾向性和岩爆预测

3.1引言

3.2竖井工程区域初始地应力反演

3.2.1竖井工程区域初始地应力场特点

3.2.2竖井初始地应力场回归分析

3.3混合片麻岩岩爆倾向性分析

3.3.1岩爆倾向性指标与分析

3.3.2修正冲击能指标

3.3.3岩爆物理模型试验

3.4竖井岩爆预测

3.5本章小结

第4章 竖井岩爆机理颗粒流模拟研究

4.1引言

4.2颗粒流基本理论

4.3颗粒流细观参数敏感性分析

4.3.1颗粒流细观参数特征分析

4.3.2细观参数敏感性分析结果

4.4混合片麻岩细观参数标定研究

4.4.1细观参数初始值的确定和标定流程

4.4.2混合片麻岩细观力学参数标定结果

4.4.3混合片麻岩脆性破坏过程颗粒流模拟

4.5颗粒流模拟相似比分析

4.5.1相似的概念

4.5.2相似三定理

4.5.3颗粒流模拟相似比

4.5.4单轴压缩试验相似模拟验证

4.6竖井岩爆机理颗粒流模拟

4.6.1岩爆机理数值模型

4.6.2岩爆细观机理分析

4.7本章小结

第5章 竖井岩爆机理断裂力学分析

5.1引言

5.2岩石断裂力学基础理论

5.3混合片麻岩初始裂纹起裂和扩展研究

5.3.1混合片麻岩裂纹起裂研究

5.3.2混合片麻岩裂纹扩展研究

5.4竖井岩爆断裂力学机理研究

5.4.1竖井岩爆断裂力学模型

5.4.2竖井岩爆断裂力学机理

5.5本章小结

第6章 竖井岩爆稳定性数值模拟与工程应用

6.1引言

6.2脆性岩体双线性强度准则

6.3双线性理想弹塑-弹脆本构模型及数值实现

6.3.1双线性理想弹塑-弹脆本构模型

6.3.2双线性理想弹塑-弹脆本构模型数值计算实现

6.4竖井岩爆破坏区数值模拟分析

6.4.1数值计算模型

6.4.2双线性理想弹塑-弹脆本构模型参数反分析

6.4.3岩爆区数值模拟结果

6.5现场岩爆及防治措施

6.5.1现场岩爆分析

6.5.2岩爆防治措施

6.6本章小结

第7章 结论和展望

7.1主要研究成果与结论

7.2进一步工作与展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果