本文選題：武當群片巖 + 各向異性��； 參考：《中國地質(zhì)大學》2017年博士論文

【摘要】：片巖是一類在變質(zhì)作用下形成的含軟弱片理結(jié)構(gòu)的巖石,在力學性質(zhì)上往往表現(xiàn)出非均質(zhì)性。鄂西北山區(qū)廣泛分布元古界武當群片巖,該片巖以云母石英片巖為主,片理發(fā)育,表現(xiàn)出顯著的各向異性。隧道開挖后,各向異性圍巖的非對稱變形突出,拱頂開裂、襯砌剪斷、錨桿失效等破壞現(xiàn)象頻繁出現(xiàn),不僅給隧道工程設計和安全施工帶來了巨大困擾,同時也造成了不可估量的經(jīng)濟損失。因此,開展片巖的各向異性特征研究既是應用基礎理論問題,也具有較大的工程應用價值。本文依托交通運輸行業(yè)科技攻關項目,以隧道區(qū)武當群片巖為研究對象,采用工程地質(zhì)調(diào)查、偏光顯微鏡、掃描電鏡、聲波測試、單軸和三軸力學試驗、數(shù)值模擬、統(tǒng)計分析等手段,對鄂西北武當群片巖的微觀、宏觀各向異性及其在隧道工程中的應用等展開研究,主要工作和獲得的結(jié)論為:(1)概述了武當群片巖賦存的地質(zhì)環(huán)境條件,并對該條件下此類片巖的成因進行了分析,認為武當群片巖是砂巖-粉砂巖-粉砂質(zhì)泥巖碎屑沉積巖組經(jīng)歷造山變質(zhì)作用的產(chǎn)物;因原巖巖性、成生環(huán)境等隨地理位置變化略有不同,導致武當群片巖的礦物成分、含量、結(jié)構(gòu)等特征表現(xiàn)出一定空間差異性。(2)分別采用偏光顯微鏡和掃描電鏡,定性、定量地對武當群片巖物質(zhì)與結(jié)構(gòu)的微觀特征進行了系統(tǒng)分析。定性分析結(jié)果顯示,武當群片巖含粒狀和片狀兩種不同形態(tài)的組構(gòu)單元,兩種單元皆呈現(xiàn)一定程度的單向拉長特征,片狀礦物夾于粒狀礦物間,似互層狀分布。以面積百分比、分維值、定向度分別對武當群片巖的礦物、微觀孔隙裂隙的相對含量、邊界形態(tài)、分布排列進行定量評價,發(fā)現(xiàn)不同表觀特征的武當群片巖的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一定差異規(guī)律。對礦物含量與孔隙裂隙含量、礦物定向和裂隙定向、礦物分維值與裂隙分維值等的相關性分析,揭示了礦物、孔隙裂隙二者在微觀系統(tǒng)中的空間關系。(3)采用波速試驗、單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗研究了武當群片巖在水、圍壓等因素影響下的宏觀各向異性,并結(jié)合片巖的微觀結(jié)構(gòu)探討了武當群片巖的各向異性機制。武當群片巖的縱波速度、抗壓強度、彈性模量皆表現(xiàn)出明顯的各向異性,縱波速度隨試樣縱軸與片理展布方向的夾角α減小而增大;抗壓強度和彈性模量隨α減小先減小后增大,最小值位于α=30°。在礦物成分與結(jié)構(gòu)、水、圍壓等因素影響下,武當群片巖的縱波速度、抗壓強度、彈性模量及其各向異性度呈現(xiàn)出明顯規(guī)律。探討了水和礦物成分與結(jié)構(gòu)(包括云母礦物和裂隙含量、礦物和裂隙形態(tài)、礦物和裂隙的分布排列等)影響單軸抗壓強度、彈性模量與力學各向異性的機制,并利用回歸分析研究了云母礦物含量、礦物定向度、礦物分維值對片巖強度各向異性度的影響程度,結(jié)果顯示:礦物定向度對片巖的強度各向異性影響最大,其次為礦物分維值,云母含量對片巖的強度各向異性的影響相對較小。利用室內(nèi)試驗、數(shù)值試驗手段研究了片巖的破壞模式。結(jié)果顯示:片巖的破壞模式與圍壓、加載方向與片理面夾角相關;無圍壓條件下,片巖存在三種破壞模式—斜交片理剪切破壞、拉張劈裂破壞、順片理剪切滑移破壞;5-20MPa圍壓條件下,呈現(xiàn)斜交片理剪切破壞和順片理剪切滑移破壞兩種破壞模式。引入礦物分維值和遞減函數(shù),對Jaeger-Donath公式進行改進,利用改進公式預測了不同含水狀態(tài)、不同結(jié)構(gòu)的武當群片巖的單軸抗壓強度。在此基礎上,采用Ramamurthy準則和改進Hoek-Brown各向異性破壞準則對武當群片巖在圍壓條件下的抗壓強度作出預測。(4)考慮片巖的各向異性,建立了適用于片巖區(qū)的巖體質(zhì)量分級方法,并探討了片巖巖體的力學參數(shù)取值方法�？紤]片理面發(fā)育程度對片巖基本質(zhì)量的影響,以BQ公式為基礎,采用回歸分析法,建立了包含各向異性度S、單軸飽和抗壓強度、巖體完整性系數(shù)三個變量的改進巖體基本質(zhì)量分級公式,該公式分級結(jié)果與工程實際的契合率可達84.8%。對巖體基本質(zhì)量的修正因素,即片理面和結(jié)構(gòu)面兩組弱面的產(chǎn)狀、巖石膨脹性,及各因素的修正系數(shù)等級進行了研究,確定了各等級修正系數(shù)范圍和修正系數(shù)權(quán)重,建立了考慮修正因素的改進BQ、公式。實例顯示,該公式得到的片巖類圍巖的質(zhì)量級別與實際吻合度較高。提出基于國標中的巖體力學參數(shù)建議表,結(jié)合Hoek-Brown準則對巖體參數(shù)的經(jīng)驗估算,從而獲取各向異性片巖的最大、最小巖體力學參數(shù)的思路。(5)探討了不同埋深的隧道開挖后,不同片理傾角圍巖的變形破壞與各向異性間的響應規(guī)律,并對支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計研究。利用Udec離散元軟件對不同埋深條件下,3種代表性片理傾角的隧道模型進行了數(shù)值模擬。結(jié)果顯示:a)圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)與應力集中部位和主應力與片理面的組合方向密切相關。不同片理傾角條件下,應力集中部位有較大差異,且塑性區(qū)形態(tài)各異,α=0°、α=90°時分別呈沿隧道縱軸對稱的似橢圓形、帽形;α=45°時表現(xiàn)為長軸與片理傾向相同的螺旋扇形;b)隨圍巖強度應力比減小,不同片理cRvK傾角的圍巖的塑性區(qū)大小和特征指標值均呈冪函數(shù)、近冪函數(shù)增長;c)各片理傾角圍巖的位移主控方向和最大位移值分布位置有顯著差異;d)隨隧道埋深增加,圍巖各向異性度減小,片理對圍巖變形影響趨于弱化,與此相反,水則加大了片理對圍巖變形的影響程度�；跀�(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)結(jié)果,采用正交試驗方法,得到控制圍巖變形的最佳支護方案,結(jié)合錨桿在各向異性圍巖中的受力特性,進一步提出在該最佳支護方案基礎上采取大范圍弱化、局部增強錨桿的措施以達到較為理想的支護效果。
[Abstract]:In this paper , the geological and macroscopic anisotropy and its application in tunnel engineering are studied by means of engineering geology survey , polarization microscope , scanning electron microscope , acoustic wave test , uniaxial and triaxial mechanical tests , numerical simulation , statistical analysis and so on . ( 2 ) The microscopic characteristics of the mass and structure of Wudang group are systematically analyzed by using polarization microscope and scanning electron microscope . The qualitative and quantitative analysis shows that Wudang group has a certain degree of one - way elongation characteristics , and the relative content , boundary shape and distribution arrangement of different apparent characteristics are quantitatively evaluated . The correlation analysis of mineral content and pore fissure content , mineral orientation and fracture orientation , mineral fractal dimension and fracture fractal dimension are revealed . The spatial relationship of both minerals and pore fractures in the microscopic system is revealed . ( 3 ) The macroscopic anisotropy of Wudang Group sheet rocks under the influence of water , confining pressure and other factors is studied by using wave velocity test , uniaxial compression test and triaxial compression test . ( 4 ) Considering the anisotropy of the sheet rock , a method for grading the quality of rock masses suitable for the sheet - rock mass is established . Based on the BQ formula , the paper studies the basic quality of the rock mass , which is based on the BQ formula . ( 5 ) In this paper , a numerical simulation is carried out on the deformation and anisotropy of the surrounding rock after tunnel excavation with different buried depth . The results show that : a ) The distribution pattern of the surrounding rock is closely related to the combined direction of the stress concentration and the principal stress .
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：U455.7
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本文編號：2028010