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《中国矿业大学》 2015年
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孔隙含水岩石中地下结构的水力荷载

柏东良  
【摘要】:随埋深的增大,高压孔隙水破坏岩石地下结构衬砌的问题日益凸显。为建立含水岩层中地下结构衬砌的设计理论,采用解析分析、数值模拟、物理模拟和现场实测相结合的方法,研究孔隙含水岩层中地下结构的水力荷载,成果如下。首先,研究了孔隙水压对岩石力学参数的影响。通过理论分析,发现了孔隙水压影响岩石的弹性模量、泊松比和侧压力系数的机制:孔隙水压的变化引起孔隙的扩张或收缩,影响孔隙的变形刚度,进而影响弹性模量、泊松比和侧压力系数;建立了理论分析模型,获得了弹性模量、泊松比和侧压力系数随孔隙水压等因素变化的解析解;建立了岩石细观随机孔隙数值计算模型,通过大量数值计算掌握了孔隙率、孔隙水压力等因素对岩石等效弹性模量、等效泊松比和静止侧压力系数的影响规律。研究表明,等效弹性模量、等效泊松比和静止侧压力系数均随孔隙水压力增加而线性增大。其次,研究了孔隙水压引起的地下结构水力荷载。揭示了孔隙含水岩石中地下结构水力荷载的形成机理:类同于围岩热胀冷缩引起的结构荷载,孔隙水压变化致胀或致缩围岩孔隙,进而引起地下结构荷载变化;基于水压致胀机理,建立了孔隙含水围岩与地下结构相互作用力学模型,获得了水力荷载的解析解;建立了岩石与地下结构相互作用的细观随机孔隙数值计算空间轴对称模型,通过大型数值计算掌握了水力荷载随各因素变化的规律;通过大型模拟试验和现场实测研究,获得了水力荷载随孔隙水压的变化规律。研究表明:地下结构的水力荷载与孔隙水压成正比;围岩孔隙率越大,水力荷载越大;衬砌相对于围岩的变形刚度(厚度与弹性模量)越大,水力荷载越大;围岩泊松比越大,水力荷载越大;衬砌泊松比对水力荷载影响不显著。研究发现:水力荷载值显著小于静水压力值,现行设计方法中的水力荷载取值偏大;衬砌可能会与围岩剥离开,剥离面会受到水压作用,从而增大衬砌外载。该发现对含水岩层中地下结构的设计有重要的理论与实用价值。最后,根据上述研究成果,提出了孔隙含水岩层中地下工程封水衬砌的设计原理。水力荷载值显著小于孔隙水压力,是衬砌的关键外载之一;衬砌要有足够的强度抵抗水力荷载和围岩的变形压力等外载;衬砌要有合理的刚度,既保持衬砌与围岩接触面不剥离,又能合理地降低地下结构的水力荷载;提高衬砌与围岩接触质量、注浆密实壁后孔隙与裂隙均可有效地降低封水衬砌受到的水力荷载。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TU45;TU93

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