【摘要】：隨著我國(guó)鐵路、公路和城市地鐵隧道的日益發(fā)展,如何正確評(píng)價(jià)圍巖與支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)變形的一個(gè)重要參數(shù),體現(xiàn)了圍巖分承荷載的能力,對(duì)襯砌內(nèi)力和變形的計(jì)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(dǎo)致的各向異性問(wèn)題。巖石的脆性破壞、節(jié)理導(dǎo)致的各向異性均會(huì)對(duì)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(jì)中,圍巖抗力系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征是一個(gè)必不可少的基礎(chǔ)參數(shù)。因此,圍繞圍巖抗力系數(shù)進(jìn)行彈脆塑性分析、各向異性分析和統(tǒng)計(jì)特征分析是隧道設(shè)計(jì)中一個(gè)重要且迫切的課題。依托國(guó)家自然科學(xué)基金,本文針對(duì)巖體中圍巖抗力系數(shù)的計(jì)算方法與統(tǒng)計(jì)特征展開(kāi)研究。系統(tǒng)全面地對(duì)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(jì)算方法與統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行了分析�；诖罅楷F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),采用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)對(duì)實(shí)測(cè)圍巖抗力系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行研究。結(jié)合BQ巖體分級(jí)探討了圍巖抗力系數(shù)的優(yōu)化計(jì)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(qiáng)度理論,借助最大剪應(yīng)力模數(shù),推導(dǎo)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(yīng)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(yīng)力、剪脹特性和脆塑性對(duì)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(yīng)變和塑性區(qū)楊氏模量的增大而增大。不同的屈服準(zhǔn)則對(duì)巖體塑性區(qū)出現(xiàn)的時(shí)間有顯著影響,Mohr-Coulomb和Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則,以及兩者之間的一系列非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則,相比于其他強(qiáng)度準(zhǔn)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(yùn)用本模型對(duì)錦屏Ⅱ級(jí)水電站深埋引水隧道襯砌的受力進(jìn)行了分析。(2)根據(jù)正交各向異性材料力學(xué)理論,采用應(yīng)力變分法原理,推導(dǎo)出層狀巖體在二向不等壓地應(yīng)力下圍巖抗力系數(shù)的計(jì)算公式。實(shí)例計(jì)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(duì)稱(chēng)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(duì)共軛節(jié)理巖體中抗力系數(shù)的各向異性分布特征與計(jì)算,以大連地鐵2號(hào)線興工街站隧道工程為背景,采用正交試驗(yàn)和離散元數(shù)值模擬,建立了可以考慮10個(gè)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(gè)計(jì)算模型,模擬了徑向液壓枕法測(cè)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(duì)圍巖抗力系數(shù)有一定影響,其他因素?zé)o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(zhǎng)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(dāng)比值趨近于零或無(wú)窮大時(shí),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(jì)算模型,并推導(dǎo)出了計(jì)算表達(dá)式。(5)針對(duì)裂隙巖體中圍巖抗力系數(shù)的計(jì)算,采用Monte-Carlo法和Matlab編程相結(jié)合,生成了能直接用于UDEC計(jì)算的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型,通過(guò)正交試驗(yàn)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(zhǎng)等因素影響的81個(gè)計(jì)算模型,得到了裂隙巖體中圍巖抗力系數(shù)的計(jì)算公式。公式能較好地反映各因素對(duì)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(duì)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(jì)特征,采用Monte-Carlo法進(jìn)行105抽樣,得到圍巖抗力系數(shù)的分布類(lèi)型和統(tǒng)計(jì)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(jì)參量均表現(xiàn)出明顯的各向異性。通過(guò)搜集大量圍巖抗力系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行Kolmogorov-Smimov檢驗(yàn),得到實(shí)測(cè)圍巖抗力系數(shù)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,并進(jìn)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(jí)和Gallerkin模型構(gòu)造出了能考慮巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整程度和各向異性的圍巖抗力系數(shù)優(yōu)化計(jì)算公式,通過(guò)與《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的建議值進(jìn)行比較,驗(yàn)證了公式的準(zhǔn)確性。最后結(jié)合巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖體完整程度兩個(gè)圍巖分級(jí)指標(biāo),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(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：U451.2
【圖文】：

逡逑介紹非線性統(tǒng)一強(qiáng)度理論之前，先介紹統(tǒng)一強(qiáng)度理論中的雙剪力學(xué)模型，如逡逑圖２－１所示，將復(fù)雜應(yīng)力的幾個(gè)常用變量從主應(yīng)力轉(zhuǎn)化為主剪應(yīng)力，依據(jù)３個(gè)主剪逡逑應(yīng)力中存在２個(gè)獨(dú)立變量的原則，構(gòu)建了包含兩個(gè)新的單元體模型。逡逑圖２－１雙剪力學(xué)模型逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｔｈｅ邋ｔｗｉｎ－ｓｈｅａｒ邋ｍｏｄｅｌｓ逡逑用２個(gè)數(shù)學(xué)方程來(lái)描述這２個(gè)雙剪力學(xué)模型，用這種數(shù)學(xué)建模的方法能很好逡逑地解決如何判斷中間主剪應(yīng)力大小的問(wèn)題，采用室內(nèi)巖石實(shí)驗(yàn)的方法確定方程中逡逑的常數(shù)，便得到了強(qiáng)度理論的數(shù)學(xué)表達(dá)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(yīng)力＜７２和ＣＴ３的影響。在圖２－１的模型中截取出一個(gè)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(xué)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(gè)數(shù)學(xué)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(shí)應(yīng)力狀態(tài)的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式是上述兩個(gè)函數(shù)中各個(gè)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(qiáng)度理論，采用非逡逑線性組合得到的便是非線性統(tǒng)一強(qiáng)度理論，下面介紹非線性統(tǒng)一強(qiáng)度理論。逡逑２．２．１非線性統(tǒng)一強(qiáng)度理論的數(shù)學(xué)表達(dá)式逡逑基于圖２－２中的雙剪力學(xué)模型的代表單元，引入能反映中間主應(yīng)力效應(yīng)的參數(shù)逡逑辦，用以下數(shù)學(xué)表達(dá)式描述巖石材料破壞時(shí)單元體內(nèi)各應(yīng)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(zhǎng)大隧道都可以看作二向等壓的平面應(yīng)變問(wèn)題。逡逑考慮引水隧道的收縮和擴(kuò)張整個(gè)過(guò)程，圍巖和支護(hù)之間的相互作用曲線如下逡逑圖２－４所示。隧道開(kāi)挖前，洞壁上的應(yīng)力成為初始虛擬支護(hù)力（內(nèi)加），等于圍巖的逡逑初始應(yīng)力（列）。隧道開(kāi)挖后，荷載由圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)，在最終平衡階段，逡逑總荷載等于最終的支護(hù)應(yīng)力（／？ｓ，ｆｍ）和圍巖的最終虛擬支護(hù)力（Ｐｆ，ｆｉｎ）之和，由此逡逑可得圍巖所承擔(dān)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(xiàn)】

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本文編號(hào)：2789692