地下隧洞围岩的长期强度及稳定性分析

摘要

我国山地和高原面积广阔，隧洞工程一直是我国基础设施建设的重要组成部分。随着我国经济水平的提高，国家正在积极建设各种隧洞工程，以缓解交通压力和满足能源、环保等方面的需求。因此，隧洞工程的稳定性是一个重要的研究课题。
　　地下隧洞围岩稳定性问题涉及到多方面的因素，围岩的长期强度是重要的因素之一。本文采用数值分析软件FLAC3D，分别从时间、微裂纹损伤角度计算分析不同时间点、不同长期强度下隧洞围岩关键点的位移、应力以及塑性区分布的变化，主要的研究成果如下:
　　(1)根据摩尔-库伦准则推导出岩体抗压、抗拉强度与强度参数内摩擦角、粘聚力之间的相互关系，结合岩石蠕变强度-时间的函数关系，求出不同时间的岩石强度参数序列，依次改变数值模型中不同时间点的强度参数进行计算，分别得到不同时间关键点的位移、应力和隧洞围岩塑性区分布，并对隧洞围岩的稳定性作出判断;
　　(2)通过分析岩石微裂纹发展过程中裂纹体积变化规律，结合岩石单轴压缩试验得到微裂纹发展不同阶段裂纹体积数据，建立裂纹体积占岩石总体积之比λ与岩石强度损伤变量D函数关系，并根据微裂纹发展过程中不同阶段所定义的长期强度，分别计算不同长期强度下隧洞关键点的位移、应力和隧洞围岩的塑性区分布，并对隧洞围岩的稳定性作出判断;
　　(3)结合MSDPu强度准则与次临界裂纹生长理论推导出来的隧洞围岩破坏时间预测方法，计算出隧洞开挖完成后，隧洞围岩分别取微裂纹启动强度σci、微裂纹损伤强度σcd作为长期强度时，隧洞顶点出现破坏的时间，并得出围岩长期强度越大，破坏出现的时间越晚的结论;隧洞围岩长期强度一定时，原始地应力越小，围岩破坏时间越晚。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 地下隧洞的长期稳定性判别

1．2．2 岩体强度下降的机理研究

1．2．3 岩石的长期强度

1．2．4 常用的强度准则研究

1．3 本文的研究内容和技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 本文的创新点

第2章 岩石强度参数随时间劣化对隧洞稳定性的影响

2．1 数值方法研究现状

2．2 FLAC软件及本构模型介绍

2．2．1 FLAC软件介绍

2．2．2 FLAC自带的本构模型

2．2．3 摩尔—库伦弹塑性本构模型

2．3 摩尔—库伦准则材料参数的相互关系

2．3．1 摩尔库伦准则的经典表达式

2．3．2 摩尔—库伦准则材料参数相互关系推导

2．4 岩石蠕变强度经验公式

2．4．1 蠕变强度与时间关系的确定方法

2．4．2 岩石蠕变强度经验公式

2．4．3 岩石强度参数时间序列

2．5 圆形隧洞稳定性分析

2．5．1 数值计算模型

2．5．2 隧洞围岩稳定性分析方法

2．5．3 数值模拟结果与分析

2．6 本章小结

第3章 微裂纹引起的岩体损伤对围岩稳定性的影响

3．1 长期强度的研究现状

3．2 利用裂纹损伤变量确定长期强度

3．2．1 声发射技术

3．2．2 损伤力学研究方法

3．2．3 微裂纹发展过程损伤规律研究

3．3 工程算例

3．3．1 花岗岩单轴压缩声发射实验

3．3．2 数值计算

3．4 本章小结

第4章 地下工程破坏时间预测

4．1 隧洞围岩破坏时间的预测方法

4．1．1 蠕变I晦界应变法

4．1．2 静态疲劳法

4．2 基于MSDPu强度准则与次临界裂纹生长理论的破坏时间预测

4．2．1 MSDPu强度准则的由来

4．2．2 MSDPu的表达形式

4．2．3 次临界裂纹生长理论与破坏时间预测

4．3 隧洞围岩破坏时间预测

4．3．1 力学模型

4．3．2 材料参数

4．3．3 计算分析

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢