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《中南大学》 2007年
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岩石材料各向异性特征及其对隧道围岩稳定性影响研究

张学民  
【摘要】: 各向异性是岩体的一个重要性质。层状岩体中隧道与地下工程围岩常常表现为横观各向同性特征,对围岩的变形和应力分布具有显著的影响。本文依托湖南省常吉(常德-吉首)高速公路湘西段20座隧道工程,针对隧道围岩为水平或近水平赋存的区域性工程地质特征,从层状岩体的各向异性特征出发,综合运用现场试验、室内试验、理论分析和数值模拟等方法,研究了岩石材料的变形和强度各向异性性状、各向异性破坏准则和弹塑性本构关系及各向异性特征对层状围岩隧道变形和稳定性的影响。主要研究成果有: (1)通过试验测得砂岩和页岩的各向异性弹性参数及其随弱面倾角的变化规律,采用横观各向同性弹性理论验证了测试结果的正确性。分析了横观各向同性砂岩的微观组构特征,揭示了砂岩呈现宏观各向异性性状的微观机理。 总结了各向异性理论和弹性参数测试方法,通过室内单轴压缩试验测定了横观各向同性砂岩和页岩不同方向上的各向异性弹性参数,分析了其随各向同性面倾角的变化规律,采用各向异性理论进行验证,计算结果与理论结果吻合较好,为分析实际工程问题提供了基本力学参数:通过偏光显微镜和X光衍射技术研究了砂岩微观组构特征,揭示了砂岩材料呈现宏观各向异性性状的根本原因和微观机理。 (2)建立了不同弹性各向异性度情况下巴西圆盘中心应力集中因子参数表和确定横观各向同性岩石材料抗拉强度的方法,分析了各向异性对抗拉强度的影响。 通过80个横观各向同性巴西圆盘劈裂试验结果,研究了岩石材料各向异性特征对抗拉强度的影响,得到了圆盘中心应力集中因子随泊松比、弹性模量之比(E_1/E_2)及弱面倾角变化的规律,建立了巴西圆盘中心应力集中因子参数表,提出各向异性岩石材料抗拉强度的计算方法;基于砂岩和页岩的5个横观各向同性弹性参数,确定了圆盘中心应力集中因子;通过室内巴西劈裂试验,测定了砂岩和页岩不同弱面倾角方向的抗拉强度,分析了各向异性对抗拉强度的影响规律,并与各向同性假定下抗拉强度计算结果进行了对比分析。 (3)试验研究了横观各向同性岩石材料抗压强度的脆性-延性转化特征、倾角效应、围压效应和岩样的破坏模式,提出了最小抗压强度值对应特征角的分布规律。 通过MTS-815型刚性试验机系统对不同倾角的岩石试样进行单轴和三轴抗压强度试验,获得全程应力-应变曲线,分析总结了各向异性特征对单轴和三轴抗压强度的影响规律;基于摩尔-库仑强度准则,分析了各向异性对岩石脆性-延性转化特征的影响,确立了脆延转化强度和转换围压与倾角的关系;通过观察试样的破坏发展过程和最终破坏型式,总结了围压和倾角变化对破坏模式的影响规律。 (4)基于非连续型破坏准则的讨论,提出了一个修正横观各向同性破坏准则,探讨了准则中参数确定方法,通过试验结果验证了修正强度准则正确性。 在系统总结三类横观各向同性破坏准则基础上,通过对非连续破坏准则的研究,基于摩尔-库仑准则、弱面强度理论和最大轴向应变理论,提出了一个修正横观各向同性破坏准则,通过修正破坏准则获得的预测强度与国内外试验结果的比较分析,验证了修正准则的正确性。 (5)通过VC++6.0进行二次开发,编制计算程序,将修正横观各向同性破坏准则嵌入FLAC岩土数值分析软件,进行了算例分析。 采用汇编语言VC++6.0编制了子程序模块,将修正横观各向同性破坏准则嵌入FLAC数值分析软件中,详细介绍了本构模型的开发流程,通过算例分析了水平层状围岩隧道开挖的稳定性,实现其在岩体工程分析中的应用。 (6)依托常吉高速公路隧道工程,开展了层状围岩隧道施工监控量测和锚喷支护参数优化的现场试验研究,分析了成层各向异性对隧道围岩压力与变形规律的影响,提出了水平层状围岩隧道锚喷支护的优化方法。 通过对常吉高速公路隧道工程典型断面的监控量测,经过综合分析,得到了拱顶下沉、水平收敛、锚杆轴力等的时态变化规律,通过信息反馈指导了隧道施工。依托桐木湾隧道进行了锚喷支护参数优化现场试验,结合数值分析提出了水平层状围岩锚喷支护的优化方法。分析结果可为后续类似工程设计和施工提供了类比数据。
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