發(fā)布時間：2020-08-11 23:16

【摘要】：隨著我國鐵路、公路和城市地鐵隧道的日益發(fā)展,如何正確評價圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的相互作用,成為影響隧道施工安全與建設(shè)成本的重要課題之一。圍巖抗力系數(shù)是衡量圍巖限制支護結(jié)構(gòu)變形的一個重要參數(shù),體現(xiàn)了圍巖分承荷載的能力,對襯砌內(nèi)力和變形的計算有重要影響。目前圍巖抗力系數(shù)的研究成果主要集中于均質(zhì)巖體中的彈塑性分析,并未考慮巖石的脆性性質(zhì)和巖體中節(jié)理導致的各向異性問題。巖石的脆性破壞、節(jié)理導致的各向異性均會對圍巖抗力系數(shù)產(chǎn)生顯著影響,抗力系數(shù)的取值具有不確定性。在隧道的可靠度設(shè)計中,圍巖抗力系數(shù)的統(tǒng)計特征是一個必不可少的基礎(chǔ)參數(shù)。因此,圍繞圍巖抗力系數(shù)進行彈脆塑性分析、各向異性分析和統(tǒng)計特征分析是隧道設(shè)計中一個重要且迫切的課題。依托國家自然科學基金,本文針對巖體中圍巖抗力系數(shù)的計算方法與統(tǒng)計特征展開研究。系統(tǒng)全面地對彈脆塑性均質(zhì)巖體、正交各向異性層狀巖體、共軛節(jié)理巖體和裂隙巖體中的圍巖抗力系數(shù)計算方法與統(tǒng)計特征進行了分析�；诖罅楷F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,采用Kolmogorov-Smirnov檢驗對實測圍巖抗力系數(shù)的統(tǒng)計特征進行研究。結(jié)合BQ巖體分級探討了圍巖抗力系數(shù)的優(yōu)化計算方法,并分析了不同巖體基本質(zhì)量定性特征下的圍巖抗力系數(shù)取值。論文取得以下主要研究成果。(1)基于非線性統(tǒng)一強度理論,借助最大剪應力模數(shù),推導出均質(zhì)巖體中圍巖抗力系數(shù)的彈脆塑性解析解。模型能綜合考慮中間主應力、剪脹特性、脆塑性、塑性區(qū)參量、泊松比和GSI的影響。由參數(shù)分析可知,中間主應力、剪脹特性和脆塑性對圍巖抗力系數(shù)有顯著影響,圍巖抗力系數(shù)隨GSI、塑性區(qū)彈性應變和塑性區(qū)楊氏模量的增大而增大。不同的屈服準則對巖體塑性區(qū)出現(xiàn)的時間有顯著影響,Mohr-Coulomb和Hoek-Brown強度準則,以及兩者之間的一系列非線性強度準則,相比于其他強度準則更加適用于描述圍巖抗力系數(shù)和巖體的自承載能力,最后運用本模型對錦屏Ⅱ級水電站深埋引水隧道襯砌的受力進行了分析。(2)根據(jù)正交各向異性材料力學理論,采用應力變分法原理,推導出層狀巖體在二向不等壓地應力下圍巖抗力系數(shù)的計算公式。實例計算表明,不同側(cè)壓力系數(shù)下圍巖抗力系數(shù)曲線呈現(xiàn)出明顯的各向異性和對稱性,最大值出現(xiàn)在π/4方向上,受材料剪切模量的影響較大。隨著正交各向異性材料某一方向彈性模量的增大,該方向上圍巖抗力系數(shù)隨之增大,垂直于該方向上的圍巖抗力系數(shù)幾乎不變。(3)針對共軛節(jié)理巖體中抗力系數(shù)的各向異性分布特征與計算,以大連地鐵2號線興工街站隧道工程為背景,采用正交試驗和離散元數(shù)值模擬,建立了可以考慮10個影響因素(巖石彈性模量、泊松比、節(jié)理間距、節(jié)理傾角、節(jié)理法向剛度等)的81個計算模型,模擬了徑向液壓枕法測圍巖抗力系數(shù)。由方差分析可知,5%水平下的顯著性影響因素依次為節(jié)理法向剛度、巖石彈性模量、節(jié)理間距與節(jié)理傾角,巖石泊松比對圍巖抗力系數(shù)有一定影響,其他因素無顯著影響。(4)共軛節(jié)理巖體中圍巖抗力系數(shù)的分布曲線呈橢圓形,沿兩組節(jié)理夾角角平分線方向圍巖抗力系數(shù)最大,為橢圓的長軸。各向異性系數(shù)隨洞徑與節(jié)理間距比值的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律,當比值趨近于零或無窮大時,各向異性系數(shù)收斂于1�；谝陨涎芯拷⒘斯草m節(jié)理巖體中圍巖抗力系數(shù)的理論計算模型,并推導出了計算表達式。(5)針對裂隙巖體中圍巖抗力系數(shù)的計算,采用Monte-Carlo法和Matlab編程相結(jié)合,生成了能直接用于UDEC計算的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型,通過正交試驗建立了能考慮巖石彈性模量、泊松比、節(jié)理密度、節(jié)理傾角和節(jié)理跡長等因素影響的81個計算模型,得到了裂隙巖體中圍巖抗力系數(shù)的計算公式。公式能較好地反映各因素對圍巖抗力系數(shù)的影響和抗力系數(shù)的各向異性分布特征。(6)針對均質(zhì)巖體、層狀巖體、共軛節(jié)理巖體和裂隙巖體中圍巖抗力系數(shù)的統(tǒng)計特征,采用Monte-Carlo法進行105抽樣,得到圍巖抗力系數(shù)的分布類型和統(tǒng)計特征(均值、方差、變異系數(shù)、偏度、峰度等)。層狀巖體、共軛節(jié)理巖體和裂隙巖體中抗力系數(shù)的統(tǒng)計參量均表現(xiàn)出明顯的各向異性。通過搜集大量圍巖抗力系數(shù)的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),利用統(tǒng)計軟件SPSS對樣本數(shù)據(jù)進行Kolmogorov-Smimov檢驗,得到實測圍巖抗力系數(shù)服從對數(shù)正態(tài)分布,并進一步獲得了分布函數(shù)、密度函數(shù)、均值和方差。(7)基于BQ圍巖分級和Gallerkin模型構(gòu)造出了能考慮巖石單軸抗壓強度、巖體完整程度和各向異性的圍巖抗力系數(shù)優(yōu)化計算公式,通過與《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中給出的建議值進行比較,驗證了公式的準確性。最后結(jié)合巖石單軸抗壓強度和巖體完整程度兩個圍巖分級指標,給出了不同巖體基本質(zhì)量定性特征下圍巖抗力系數(shù)的建議取值。
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U451.2
【圖文】：

逡逑介紹非線性統(tǒng)一強度理論之前，先介紹統(tǒng)一強度理論中的雙剪力學模型，如逡逑圖２－１所示，將復雜應力的幾個常用變量從主應力轉(zhuǎn)化為主剪應力，依據(jù)３個主剪逡逑應力中存在２個獨立變量的原則，構(gòu)建了包含兩個新的單元體模型。逡逑圖２－１雙剪力學模型逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｔｈｅ邋ｔｗｉｎ－ｓｈｅａｒ邋ｍｏｄｅｌｓ逡逑用２個數(shù)學方程來描述這２個雙剪力學模型，用這種數(shù)學建模的方法能很好逡逑地解決如何判斷中間主剪應力大小的問題，采用室內(nèi)巖石實驗的方法確定方程中逡逑的常數(shù)，便得到了強度理論的數(shù)學表達式。逡逑由于巖石的脆性破壞主要以剪切、劈裂和拉裂破壞為主，破裂角的大小主要逡逑受應力＜７２和ＣＴ３的影響。在圖２－１的模型中截取出一個有代表性的單元體，使其包逡逑含和＜７３，如圖２－２所不。逡逑２６逡逑

圖２－２雙剪力學模型的代表單元逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ邋ｕｎｉｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｔｗｉｎ－ｓｈｅａｒ邋ｍｏｄｅｌｓ逡逑可以得到圖２－２中等的兩個數(shù)學方程為：逡逑Ｆ邋＝邐Ｆ，邐（２－７６）逡逑Ｆ，＝邐＞邋Ｆ邐（２－７７）逡逑巖石材料發(fā)生屈服破壞時應力狀態(tài)的具體數(shù)學表達式是上述兩個函數(shù)中各個逡逑因變量的線性或者非線性組合，采用線性組合得到的便是統(tǒng)一強度理論，采用非逡逑線性組合得到的便是非線性統(tǒng)一強度理論，下面介紹非線性統(tǒng)一強度理論。逡逑２．２．１非線性統(tǒng)一強度理論的數(shù)學表達式逡逑基于圖２－２中的雙剪力學模型的代表單元，引入能反映中間主應力效應的參數(shù)逡逑辦，用以下數(shù)學表達式描述巖石材料破壞時單元體內(nèi)各應力之間的非線性關(guān)系。逡逑／邋Ｌ邐，逡逑Ｆ＾Ｔｕ邋＋邋ｂＴｎ＋邋Ａ邋２邐３＋Ｃ邐＝邋０

的長大隧道都可以看作二向等壓的平面應變問題。逡逑考慮引水隧道的收縮和擴張整個過程，圍巖和支護之間的相互作用曲線如下逡逑圖２－４所示。隧道開挖前，洞壁上的應力成為初始虛擬支護力（內(nèi)加），等于圍巖的逡逑初始應力（列）。隧道開挖后，荷載由圍巖和支護結(jié)構(gòu)共同承擔，在最終平衡階段，逡逑總荷載等于最終的支護應力（／？ｓ，ｆｍ）和圍巖的最終虛擬支護力（Ｐｆ，ｆｉｎ）之和，由此逡逑可得圍巖所承擔的荷載為／７ｆ，ｆｍ＝Ｐｆ，ｉｎｉ－ｐｓ，ｆｍ。逡逑Ｐ0逡逑小邐＼｜／邋＼｜／邋１邋＼｜／邋＼｜／逡逑ｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ邋ｓｕｐｐｏｒｔ逡逑ｐｒｅｓｓｕｒｅ逡逑邐邐ｐｅ

【參考文獻】

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本文編號：2789692