层状非连续岩体稳定性试验及理论研究

摘要

自然界中，层状非连续岩体十分常见，其稳定性问题复杂而突出，但现有针对层状非连续岩体稳定性机理的相关研究尚不成熟，也缺乏对岩体破坏规律的研究。因此，本文采用模型试验、数值仿真和理论分析等方法开展层状非连续岩体在扰动条件(开挖、降雨)下的破坏规律和渗流规律的研究，从而进一步深入了解层状非连续岩体所表现出来的力学特性，探索其稳定性机理，寻找稳定性分析方法，为解决工程技术问题提供支撑。
　　 1、开展了层状非连续岩体地下洞室模型试验，得到不同层理倾角下的地下洞室围岩的破坏特征，试验结果表明：当层理倾角小于层理摩擦角时，洞室上覆岩层发生离层，各层内的部分岩块整体性沿节理面滑落，围岩破坏范围的左右界限，为层理和节理共同构成的两个台阶面，上部界限为一层理；当层理倾角大于层理摩擦角，而小于围岩自稳极限角时，洞室上覆岩层不发生离层现象，破坏范围内块体群整体性自由掉落，破坏范围的左右界限为两个台阶面，上限为一层理；当层理倾角大于围岩自稳极限角，围岩破坏范围可确定为两组层理所围成的区域。围岩的全场位移表明：围岩破坏时具有显著的变形非连续性和结构效应。另外，在模型试验设计中也考虑了软弱夹层对破坏特征的影响，结果表明：当层理倾角小于软弱夹层摩擦角时，软弱夹层基本上不影响洞室围岩的破坏特征；当层理倾角大于软弱夹层摩擦角时，软弱夹层对洞室围岩的破坏特征有不同程度的影响。
　　 2、基于层状非连续岩体地下洞室模型试验结果，从岩层的稳定性、两层理间岩体稳定性和围岩自稳性三个方面对地下洞室围岩破坏机理进行分析，并建立初步的稳定性分析模型。首先，以岩层渐进性稳定过程为基础，基于Voussoir梁理论，依据系统学耗散论建立多节理分析模型，解决了Voussoir梁理论的局限性，使岩层稳定性分析更为合理；然后，采用线性规划方法有效地分析了两层理间岩体的稳定性；最后，利用数值仿真方法探讨了洞室围岩的自稳性机理，即地下洞室开挖后，应力调整过程中，应力以拱的形式转移汇集，从而以应力拱把荷载传递到比较稳定的围岩中。
　　 3、开展了层状非连续岩体边坡模型试验，得出层状非连续岩体边坡的破坏模式：顺层边坡失稳时为岩体沿某一层理面发生整体性滑移，而反倾斜边坡失稳时为岩体沿某一台阶面发生整体性滑移，然后，基于模型试验结果，探讨极限平衡法和极限分析上限法在层状非连续岩体边坡稳定性分析的适用性，并建立稳定性分析模型，从而为层状非连续岩体边坡工程施工提供可靠的理论依据。
　　 4、针对层状非连续岩体的水力学特性，首先，采用数值分析方法，分析地下洞室开挖时，地下水在层状非连续岩体中下渗流规律，结果表明：地下水位的下降值和围岩裂隙水压力值，受结构面分布影响较大，即层状非连续岩体中渗流场分布具有明显的结构效应。然后，采用数值仿真和模型试验，探讨降雨入渗在层状非连续岩体中的渗流规律，结果表明：随着深度的增加，水等距离入渗的速度变缓，并且由于层理和层间节理的相互影响，层状非连续岩体中水一般是水平向下入渗。
　　 5、根据层状非连续岩体地下洞室和边坡模型试验，发现岩体失稳为多个块体的组合沿同一方向的滑移或脱离，块体理论在分析非连续岩体稳定性时，具有特有的优势，但存在仅考虑单一块体的局限性。因此，基于块体理论赤平解析法，在二维空间中分析如何在多块体系统中构造块体群，然后拓展到三维空间分析中，建立块体群稳定性分析方法，从而解决了块体理论的局限性，提高了块体理论应用于非连续岩体稳定性分析的价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 层状非连续岩体稳定性研究现状

1.2.1 层状非连续岩体地下洞室围岩稳定性研究

1.2.2 层状非连续岩体边坡稳定性研究

1.2.3 岩体水力学研究

1.2.4 非连续岩体力学研究

1.3 研究内容、方法与创新点

1.3.1 研究内容和方法

1.3.2 创新点

第2章 层状非连续岩体地下洞室围岩破坏试验研究

2.1 层状非连续岩体的地质和力学特征

2.2.1 地质特征

2.2.2 力学特征

2.2 层状非连续岩体地下洞室围岩破坏试验

2.2.1 模型试验目的

2.2.2 模型试验设计

2.2.3 模型试验结果

2.3 结构面性态对地下洞室围岩破坏特征的影响

2.3.1 结构面性态的影响分析

2.3.2 软弱夹层的影响试验

2.4 小结

第3章 层状非连续岩体地下洞室围岩稳定性分析

3.1 岩层稳定性分析

3.1.1 Voussoir梁理论

3.1.2 Voussoir梁理论的验证

3.1.3 多节理岩层的稳定性机理和分析模型的建立

3.2 两层理面间岩体稳定性分析

3.3 地下洞室围岩自稳性机理

3.4 小结

第4章 层状非连续岩体边坡稳定性分析

4.1 层状非连续岩体边坡破坏试验

4.1.1 基本假定

4.1.2 层状非连续岩体边坡破坏试验

4.2 层状非连续岩体边坡稳定性极限平衡解

4.2.1 极限平衡法原理

4.2.2 顺层边坡极限平衡解

4.2.3 反倾斜边坡极限平衡解

4.3 层状非连续岩体边坡稳定性极限分析上限解

4.3.1 极限分析上限法基本原理

4.3.2 顺层边坡极限分析上限解

4.3.3 反倾斜边坡极限分析上限解

4.4 小结

第5章 层状非连续岩体中渗流规律分析

5.1 裂隙岩体渗流理论与仿真

5.1.1 裂隙岩体渗流理论

5.1.2 裂隙岩体渗流仿真

5.2 地下水下层状非连续岩体地下洞室围岩渗流规律分析

5.2.1 仿真目的与设计

5.2.2 渗流规律分析

5.3 降雨条件下层状非连续岩体边坡渗流规律分析

5.3.1 降雨入渗机理及仿真

5.3.2 单裂隙非饱和渗流规律分析

5.3.3 降雨条件下边坡渗流试验

5.4 小结

第6章 非连续岩体稳定性分析的块体群方法

6.1 块体理论的基本原理

6.1.1 一些基本概念

6.1.2 块体理论的分析方法

6.2 块体群构造理念

6.2.1 块体群的提出

6.2.2 可动滑移块体群的构造特征

6.2.3 可动脱离块体群的构造特征

6.2.4 块体群的递进构造

6.2.5 块体群理念的验证

6.3 块体群方法的建立

6.3.1 三维空间的结构面分析

6.3.2 块体潜在运动方向

6.3.3 结构面的相邻关系

6.3.4 块体群稳定系数的求解

6.4 小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 问题与展望

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