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隧道结构失稳及判据研究

陈先国  
【摘要】: 隧道围岩历经多次而且反复的地质作用,经受过破坏,已经遭受过破坏的地质体再遭扰动或破坏时,其破坏规律亦有别于一般完整材料的破坏规律。其破坏规律很大程度上受岩体结构制约。同样,其变形也受岩体结构控制,其变形和破坏不能简单地用一般材料的变形规律和失稳判据来判断。目前隧道结构失稳研究的困难在于失稳模型不清楚,失稳判据不明确,面对的是“数据有限”的问题,且对岩体本身的破坏机理了解有限,存在大量的不确定性。 目前一直沿用加载岩体力学方面的基本理论研究失稳问题,但本文认为:由于卸荷与连续加载具有完全不同的应力路径和破坏效应,在破坏机理、二者引起的岩体的变形和破坏特性方面都有很大的不同,因此用加载力学来研究开挖卸荷破坏的力学特性及其稳定性,这显然不能得出与实际工程一致的结果。通过对实际工程的加载力学和卸载力学分析对比表明,卸载力学更接近工程实际。 应用突变理论,建立了关键承载层由一层完整岩体构成、一层厚断裂岩体构成、层状岩体构成及软弱夹层滑移的尖点突变失稳模型并得出了失稳的力学判据。根据模型,讨论了力的变化过程中岩体的稳定情况,并讨论了岩体临界失稳条件。在临界状态时,只要系统稍有扰动,则系统就会失稳;强扰动可以使失稳提前发生;将灰色理论和突变理论相结合,以能量突变为材料的破坏特征,提出隧道岩体开挖的灰色能量突变模型,通过实例分析表明,该失稳判据具有唯一性;对岩体失稳的过程分析表明,岩体的失稳过程实际上是耗散结构的形成过程、是岩体的自组织过程,围岩系统在演化过程中出现分叉和混沌现象。通过屈曲理论分析结果对比表明,弹性屈曲和突变失稳分析的结果比非线性屈曲分析的结果要大得多,非线性分析由于考虑了材料非线性和几何非线性,因而结果与实际接近实际;当只有初期支护时,随着地应力的增加,围岩的荷载分担率增大,相应地,初期支护的荷载分担率就减小了;当有初期支护和二次衬砌共同作用时,围岩的荷载分担率在50%以上,这一分担率随地应力的增加其变化不大;支护和岩体的整体分析表明,衬砌底拱及拱脚处应力集中严重,隧道岩体侧墙及墙角围岩的应力集中也较大。利用失稳量测的统计资料,研究了容许极限位移量、位移变化率、位移加速度和变形速率比判别围岩和支护结构整体失稳的标准并给出了失稳的 剿页X 西南交通大学借土研究生学位论文。 —— 位移判据。在实际工程中,这些标准在量上都具有相对的意义,一般将这些 标准综合利用来加以判别。


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