节理岩体中扁平大跨地下洞室围岩破坏模式研究

摘要

随着近年来，高速公路隧洞、高速铁路隧洞、城市地铁等大量地下工程的兴建，所遇到的工程地质条件越来越复杂。由于节理岩体的复杂性，以往基于连续介质力学应用于分析地下工程的方法已经难于满足对节理岩体中地下工程问题的分析和工程建设的要求。围岩压力计算是各类地下支护结构设计的基础，而围岩压力的准确计算又依赖于围岩破坏模式的准确确定，又由于岩体本身是经过各种物理化学变化而形成的天然地质体，力学特性较一般材料要复杂得多，对围岩破坏模式的影响因素也众多，又由于扁平大跨地下洞室稳定性较差、变形破坏复杂，因此研究节理岩体中扁平大跨地下洞室围岩的破坏模式也就显得尤为重要。本论文依托国家自然科学基金面上项目，针对含有三组贯通节理岩体中扁平大跨地下洞室围岩破坏模式研究，采用离散单元数值模拟与理论分析相结合的研究方法，对Ⅱ级围岩（硬岩）、Ⅲ级围岩（较硬岩）中地下洞室开挖后围岩的破坏模式、围岩的破坏过程、破坏模式的产生条件、破坏模式的影响因素、典型破坏模式的工程调控策略等进行了分析。论文取得以下主要研究成果。
　　(1)通过国内外文献调研，归纳总结出国内外关于破坏模式的相关研究成果，并提出目前研究中存在的问题，对以往的研究结果进行分析得出破坏模式影响因素众多的结论，从而确定了主要研究内容和研究技术路线。
　　(2)通过正交试验方法设计试验方案，采用离散单元法对含有三组贯通节理岩体中扁平大跨地下洞室开挖进行数值模拟，归纳总结出Ⅱ级围岩条件下有拱顶掉块、楔形破坏、拱顶整体垮塌、拱顶弯折内鼓、拱顶直筒型破坏5种破坏模式，Ⅲ级围岩条件下有拱顶掉块、拱顶掉块-边墙挤出、拱顶掉块-底板隆起、拱顶直筒型（烟囱型）破坏、边墙挤出、拱顶楔形破坏、拱顶整体垮塌、拱顶弯折-底板隆起、拱顶弯折内鼓9种破坏模式。对Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下各种破坏模式的破坏过程进行分析，得出破坏过程可以划分为裂隙出现阶段、裂隙扩展阶段、裂隙持续扩展阶段、破坏完成阶段。对Ⅱ、Ⅲ级围岩每一种破坏模式的产生条件进行定性分析，得出每一种破坏模式的主要控制影响因素。
　　(3)通过单因素试验，研究了节理间距、节理倾角、洞室跨度、埋深、侧压力系数对围岩破坏模式的影响，得出节理间距、节理倾角、洞室跨度、埋深、侧压力系数对围岩破坏模式、破坏区、节理剪切区、节理张开区、塑性区均有一定的影响。
　　(4)对本文归纳总结出的典型破坏模式，结合实际工程提出了围岩破坏模式动态识别的基本方法，并针对本文提出的典型破坏模式提出了相应的工程调控策略。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 存在的问题

1．4 国内外研究现状

1．5 研究内容。研究方法与技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究方法与技术路线

2 数值试验方法

2．1 概述

2．2 离散单元法基本原理

2．2．1 离散单元法的基本思想

2．2．2 离散单元法的基本假定

2．2．3 离散单元法的基本方程

2．2．4 离散单元法的基本解法

2．3 离散单元法在地下工程中的应用

2．4 通用离散单元法软件及适用性

2．5 本章小结

3 节理岩体中地下洞室围岩破坏模式分类

3．1 概述

3．2 地下洞室开挖数值模拟试验方案设计

3．2．1 基本假设

3．2．2 采用的本构模型

3．2．3 正交试验与正交设计

3．3 Ⅱ级围岩中地下洞室开挖围岩破坏模式分析

3．3．1 计算模型

3．3．2 模型物理力学参数及试验方案

3．3．3 围岩破坏模式分析

3．3．4 围岩破坏过程分析

3．4 Ⅲ级围岩中地下洞室开挖围岩破坏模式分析

3．4．1 计算模型

3．4．2 模型物理力学参数及试验方案

3．4．3 围岩破坏模式分析

3．4．4 围岩破坏过程分析

3．5 围岩破坏模式产生条件分析

3．6 本章小结

4 节理岩体中地下洞室围岩破坏模式影响因素分析

4．1 概述

4．1 节理间距的影响

4．1．1 数值模型及试验参数的选取

4．1．2 数值试验结果分析

4．2 节理倾角的影响

4．2．1 数值模型及试验参数选取

4．2．2 数值试验结果分析

4．3 洞室跨度的影响

4．3．1 数值模型及试验参数的选取

4．3．2 数值试验结果分析

4．4 埋深的影响

4．4．1 数值模型及试验参数的选取

4．4．2 数值试验结果分析

4．5 侧压力系数的影响

4．5．1 数值模型及试验参数的选取

4．5．2 数值试验结果分析

4．6 本章小结

5 节理岩体中地下洞室围岩破坏模式的调控策略

5．1 概述

5．2 围岩破坏模式动态识别

5．3 典型破坏模式的调控策略

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要研究结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集