层状岩体开挖变形机制及破坏机理研究

论文摘要

各向异性是岩体的一个重要性质,层状岩体在地下工程和边坡工程中常常表现为横观各向同性特征,对岩体的开挖变形和应力分布具有显著的影响。本文以龙滩工程为背景,研究两类典型层状岩体工程问题,即陡倾角层状岩体巨型地下洞室群围岩及陡倾角反倾向层状岩质边坡工程岩体的变形、破坏特征。针对陡倾角层状岩体的特点,运用理论分析、位移监测分析、数值模拟等手段,多方法、多指标综合研究分析了层状岩体在开挖扰动下的变形破坏规律。研究工作及主要成果包括:（1）从层状岩体的三类结构面入手,研究了层状岩体的典型地质特征,分析了各种结构面对层状岩体工程性质的影响;对层状岩体的变形破坏类型、破坏特征、破坏机理进行了探讨。（2）提出了基于均匀设计和粒子群——最小二乘支持向量机的工程区域地应力场参数的小样本快速反演方法,并应用于龙滩地下厂房区域三维地应力场参数的反分析,获得了地下厂房区地应力场沿深度的分布规律。（3）基于FLAC3 D的计算分析及方便的二次开发平台,在遍布节理模型（ubiquitous-joint）中引入材料变形的各向异性,提出了变形横观各向同性遍布节理模型,采用VC++编程语言进行本构模型开发,获得了可以在FLAC3 D中直接加载和调用的本构模型动态链接库文件,并进行了新模型的验证。（4）引入非线性数据统计方法,提出了基于变点分析的岩土工程变形观测资料的分析方法,并应用于工程监测分析中,为岩土工程监测数据分析指出了一条新途径。（5）采用正交设计及方差分析方法研究了层状岩体地下洞室群围岩变形的主要影响因素,获得了围岩变形影响因素的趋势图。（6）改进了反倾向层状边坡岩块倾倒的极限平衡方法（G-B法）,考虑了底面岩桥、非正交节理切割、水压力等对反倾向层状边坡倾倒破坏的影响,从而解释了上层滞水对边坡倾倒的加速作用。（7）将研究成果应用于龙滩电站地下厂房洞室群围岩开挖变形特征的研究,运用监测位移分析以及有限元、离散元和FLAC3 D等数值模拟方法,从二维和三维两个角度,整体三维模型和局部三维模型两种尺度,弹性、莫尔-库仑和变形横观各向同性遍布节理模型等三种模型,对龙滩电站地下厂房洞室群进行了多角度、多尺度、多方法和多手段的综合分析,研究了龙滩电站地下厂房群围岩在洞室群开挖过程中的应力分布特征、变形和破坏特征,获得了一些重要的结论。（8）采用监测位移分析、离散元和FLAC3 D等数值方法对龙滩电站左岸进水口反倾向层状岩质高边坡的开挖变形破坏特征进行研究,评价了边坡的稳定性。鉴于层状岩体在水电工程、交通工程的普遍性,本文对两类典型层状岩体工程的研究可以为其他类似工程研究提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 层状岩体力学特性研究现状
• 1.2.1 岩土体各向异性的基本概念
• 1.2.2 层状岩体变形各向异性特征的试验研究
• 1.2.3 层状岩体强度各向异性特征的试验研究
• 1.2.4 层状岩体本构模型的研究
• 1.2.5 层状岩体工程稳定性研究
• 1.3 本文的研究内容与研究思路
• 第二章 层状岩体地质与力学赋存环境研究
• 2.1 概述
• 2.2 层状岩体地质特征
• 2.2.1 原生结构面
• 2.2.2 构造结构面
• 2.2.3 工程结构面
• 2.3 层状岩体力学参数取值
• 2.3.1 岩体力学参数研究概述
• 2.3.2 结构面力学参数取值方法
• 2.4 层状岩体破坏特征
• 2.4.1 近地表层状岩体破坏特性
• 2.4.2 地下洞室层状围岩破坏特性
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于均匀设计-粒子群支持向量机的地应力场反演
• 3.1 概述
• 3.2 地应力场的一般特征
• 3.2.1 地应力场的影响因素及分布特征
• 3.2.2 我国的地应力场统计分布规律
• 3.2.3 地应力场分析
• 3.3 现场测试与监测成果
• 3.3.1 地应力测试成果
• 3.3.2 地应力场沿深度分布规律的概化
• 3.3.3 原位模型试验洞监测成果
• 3.4 反演分析方法
• 3.4.1 均匀设计
• 3.4.2 支持向量机回归原理
• 3.4.3 粒子群优化算法简介
• 3.4.4 待反演参数与岩体位移的LS-SVM模型
• 3.5 样本构造与反演结果
• 3.5.1 样本构造
• 3.5.2 地应力场反演
• 3.5.3 反演结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 层状岩体工程开挖的数值模拟方法
• 4.1 概述
• 4.2 节理单元模型
• 4.2.1 无厚度节理单元
• 4.2.2 等厚度节理单元
• 4.2.3 变厚度节理单元
• 4.3 考虑变形横观各向同性的遍布节理模型
• 4.3.1 FLAC3D模型简介
• 4.3.2 变形横观各向同性的遍布节理模型
• 4.3.3 变形横观各向同性遍布节理模型的实现与应用验证
• 4.4 离散单元法
• 4.4.1 离散单元法基本原理
• 4.4.2 离散单元法的计算机实施
• 4.5 层状岩体力学特性数值模拟的工程近似
• 4.6 本章小结
• 第五章 陡倾层状岩体地下洞室开挖变形机制与破坏机理研究
• 5.1 概述
• 5.2 基于变点分析的监测信息分析方法
• 5.2.1 监测数据的可靠性检验及数据分析
• 5.2.2 变点分析概述
• 5.2.3 均值变点分析方法
• 5.2.4 变点分析算例
• 5.3 龙滩地下洞室群监测变形分析
• 5.3.1 地下洞室群监测布置与实施
• 5.3.2 主厂房开挖位移监测分析
• 5.3.3 主变室开挖位移监测分析
• 5.3.4 尾水调压井开挖位移监测分析
• 5.3.5 地下洞室群位移监测分析
• 5.4 层状岩体地下洞室围岩开挖变形影响因素分析
• 5.4.1 单因素影响极差分析
• 5.4.2 方差分析及显著性检验
• 5.4.3 洞室围岩变形敏感性分析
• 5.5 龙滩地下洞室群围岩变形特征二维分析
• 5.5.1 二维分析模型
• 5.5.2 二维模型结果分析
• 5.6 龙滩地下洞室群围岩变形特征三维分析模型
• 5.6.1 整体三维模型地质概化
• 5.6.2 局部三维模型地质概化
• 5.7 地下洞室群围岩变形与破坏特征综合分析
• 5.7.1 洞室群开挖围岩的变形特征
• 5.7.2 洞室群开挖围岩的应力分布与破坏特征
• 5.7.3 洞室群开挖围岩变形稳定综合分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 近地表反倾向层状边坡开挖变形机制与破坏机理研究
• 6.1 概述
• 6.2 龙滩左岸进水口边坡工程地质条件
• 6.3 岩块倾倒的极限平衡方法（G-B法）的改进
• 6.3.1 岩块倾倒的极限平衡方法（Goodman-Bray方法）
• 6.3.2 底面岩桥的作用
• 6.3.3 岩柱边界上静水压力的计算
• 6.3.4 岩柱滑动条件的受力计算
• 6.3.5 岩柱倾倒条件的受力计算
• 6.3.6 临界水平加速度的计算
• 6.3.7 计算步骤
• 6.3.8 算例验证与边坡倾倒稳定分析
• 6.4 进水口边坡开挖变形监测成果分析
• 6.4.1 左岸高边坡变形监测布置
• 6.4.2 左岸边坡多点位移计监测变形分析
• 6.4.3 边坡岩体卸荷范围研究
• 6.4.4 左岸边坡外观变形监测结果及分析
• 6.5 龙滩左岸进水口边坡二维分析
• 6.5.1 边坡开挖扰动区分布
• 6.5.2 左岸边坡二维分析模型
• 6.5.3 有限元计算成果
• 6.6 龙滩左岸进水口边坡三维分析
• 6.6.1 边坡三维分析模型
• 6.6.2 力学模型与参数
• 6.6.3 边坡三维结果分析
• 6.7 龙滩左岸进水口边坡离散元分析
• 6.7.1 边坡离散元分析模型
• 6.7.2 边坡离散元结果分析
• 6.8 进水口边坡稳定性综合评价
• 6.9 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 博士期间的科研成果
• 致谢