随机裂隙对节理岩体稳定性影响研究及其在海底隧道中的应用

论文摘要

对于节理岩体围岩稳定性问题,国内外学者采用离散介质模型和连续介质模型,并结合断裂力学、损伤力学及岩体损伤力学等理论对其开展了众多的研究,但是由于受到随机裂隙三维网络模拟技术的限制,较少涉及到随机裂隙空间分布、密度及其充填情况对节理岩体围岩稳定性的影响问题研究,然而岩体的节理裂隙面形态及其分布方式和受力特征直接制约和控制着岩体的强度、变形和破坏方式,因此研究随机裂隙对节理岩体围岩稳定性的影响对于实际岩体工程有着极其重要的作用。随着Monte-Carlo模拟技术的日趋成熟,通过现场勘探得到的裂隙资料再现节理岩体的三维裂隙网络成为可能,从而研究随机裂隙对节理岩体围岩稳定性的影响也变成现实。本文采用裂隙网络模拟技术（Monte-Carlo模拟技术）、岩体损伤力学及有限元编程思想,通过编制二阶张量损伤有限元程序并结合大型有限差分软件Flac3D研究了随机裂隙的几何特征（倾向、倾角）、裂隙的损伤参数（反映随机节理或者裂隙的密度的参数）及裂隙充填情况等因素对节理岩体围岩稳定性的影响,并结合厦门翔安海底隧道工程,研究了随机裂隙对确定厦门翔安海底隧道ZK9+750剖面的最小岩石覆盖厚度的影响。具体的研究思路及得到的研究结论如下:（1）利用网络裂隙模拟技术、岩体损伤力学理论及有限元思想,编制二阶张量损伤有限元程序并结合大型有限差分软件来分析随机裂隙对节理岩体区域海底隧道围岩稳定性的影响。通过网络裂隙模拟方法,根据现场勘探得到的裂隙的几何特征,利用数学概率统计的思想,采用Monte-Carlo方法重构岩体的三维裂隙,计算节理岩体的初始损伤张量。采用岩体损伤力学理论和有限元思想编制二阶张量损伤有限元程序,得到基于能量等效原理的全局损伤张量,克服了仅根据所有局部损伤张量叠加的方法来计算整体损伤张量的缺点,更好地反映节理岩体的各向异性力学特性;编制二阶张量损伤有限元程序分析随机裂隙的倾向、倾角、损伤因子及裂隙充填情况等因素对节理岩体的稳定性的影响,并通过实例分析得到裂隙的倾角对隧洞周边的损伤位移影响不同,倾角不大于30°的裂隙对隧道的拱顶和底板的损伤位移影响较大,并与初始无损岩体隧道的拱顶和底板的位移同向;倾角大于30°的裂隙对隧道的拱顶和顶板的损伤位移影响也较大,但是损伤位移随着损伤因子的增加而与初始无损岩体隧道的拱顶和底板的位移反向;隧道周边的损伤位移随着损伤因子的增大而增加;隧道周边的损伤位移受压剪应力传递系数影响比拉剪应力传递系数的影响要大;并根据得到的分析结果,对隧道施工过程中的监测和加固提供依据。（2）自从二十世纪四十年代日本修建世界上最早的海峡隧道—关门海峡铁路隧道以来,世界发达国家陆续开始海底隧道的建设。由于所处地理条件的限制,日本和挪威是目前世界上修建海底隧道最多的两个国家。随着国家现代化建设的高速发展,我国有多条海峡海底隧道正在规划和建设之中,其中正在建设的厦门翔安海底隧道和青岛胶州湾海底公路隧道均采用钻爆法施工。对于采用钻爆法施工的海底隧道来说,海底隧道的修建存在着不少关键问题,其中一个关键问题的确定对海底隧道的成功修建至关重要—海底隧道最小岩石覆盖厚度确定问题。最小岩石覆盖厚度作为海底隧道的关键参数之一,对海底隧道的修建非常重要。如果隧道岩石覆盖厚度太小,隧道施工作业面局部性失稳与涌、突水患的险情加大;且因浅部地质较差,在辅助工法（如注浆封堵,各种预支护及加固等）上的投入将急剧增加;隧道岩石覆盖厚度过厚,海底隧道长度加大,作用于衬砌结构上的水头压力增大;而且也会增加隧道的长度,因而提高造价。由此可见,海底隧道覆盖层厚度的选定不仅是一个安全问题,而且也是一个经济问题。不过应该明确的一点是,覆盖层厚度并没有技术上的限制,也就是说不因为最小岩石覆盖层厚度的问题,在技术上使海底隧道无法修建。无非是采用较高的开挖支护技术和投入较高的费用而已,但这样做工程风险之大是显而易见的。海底隧道最小岩石覆盖厚度目前主要采用工程类比法和数值计算方法来确定,主要思路是先通过工程类比方法得到隧道的初始的岩石覆盖厚度,然后再以该厚度为基准进行数值模拟,来验算该厚度的合理性,并对岩石覆盖厚度进行优化;当前这种确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的思路是比较合理的,但其中也存在着不少问题。对工程类比方法来说,工程类比方法是综合世界各个国家修建隧道得到的经验方法,其对海底隧道的工程地质条件和水文条件的依赖性非常大,而每个国家的海底隧道的地质条件和水文条件不尽相同,因此使工程类比方法具有明显的局限性;对数值计算方法来说,主要采用有限元方法进行稳定性计算,对于隧道地质中出现的断层、软弱破碎带及节理、裂隙密集区等较差的地层,数值模拟时对参数根据经验进行弱化,使数值模拟过程中带有明显的主观性,而忽略或减弱了隧道自然地质条件的客观性,从而数值模拟计算的结果的实用性受到一定的局限。考虑到工程类比法和数值模拟方法在研究节理岩体海底隧道最小岩石覆盖厚度问题上的局限性。本文采用网络裂隙模拟技术、岩体损伤力学理论及有限元思想,编制了二阶张量损伤有限元程序;并结合大型有限差分软件FLac3D研究了厦门翔安海底隧道ZK9+750剖面的最小岩石覆盖厚度,根据研究结果分析了随机裂隙对节理岩体区域海底隧道最小岩石覆盖厚度的影响。分析表明,随机裂隙使隧洞对称关键点的位移不再对称,而且隧洞周边关键点的位移比无损伤时的位移明显增加,特别是在水平方向的位移。对于厦门翔安海底隧道剖面ZK9+750的最小岩石覆盖厚度,从隧道围岩稳定性的角度分析,考虑随机裂隙的作用得到的厚度要比不考虑随机裂隙时的厚度增大约8米。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 节理岩体研究意义及研究现状
• 1.1.2 三维网络模拟技术发展及现状
• 1.1.3 国内外海底隧道简介
• 1.2 国内外海底隧道最小岩石覆盖厚度研究现状
• 1.2.1 工程类比方法
• 1.2.1.1 挪威隧道经验法
• 1.2.1.2 涌水量方法
• 1.2.1.3 国内顶水采煤经验法
• 1.2.2 数值计算方法
• 1.2.2.1 围岩稳定性分析岩石覆盖厚度
• 1.2.2.2 岩石准三维断裂损伤分析岩石覆盖厚度
• 1.2.2.3 海水渗流分析岩石覆盖厚度
• 1.2.2.4 地震载荷分析岩石覆盖厚度
• 1.2.2.5 爆破载荷分析岩石覆盖厚度
• 1.2.3 各种研究方法的优缺点
• 1.2.3.1 工程类比方法
• 1.2.3.2 数值计算方法
• 1.3 本文的研究思路
• 第二章 节理岩体三维裂隙网络生成原理
• 2.1 概述
• 2.2 岩体随机裂隙的几何参数及其概率分布
• 2.2.1 随机裂隙的密度和空间分布
• 2.2.2 裂隙的形状及尺寸
• 2.2.3 裂隙方向和产状
• 2.2.4 裂隙间距或频率
• 2.2.5 裂隙隙宽
• 2.3 裂隙网络三维模拟原理
• 2.4 基于Monte-Carlo模拟方法的裂隙网络生成技术
• 2.4.1 随机数的产生
• 2.4.2 常见随机分布的随机数
• 2.5 本章小结
• 第三章 节理岩体损伤张量
• 3.1 概述
• 3.2 损伤基本概念
• 3.2.1 损伤变量和有效应力
• 3.2.2 应变等价假说及损伤模型本构关系
• 3.3 损伤变量形式
• 3.3.1 标量形式
• 3.3.2 矢量形式
• 3.3.3 二阶张量形式
• 3.3.4 高阶张量形式
• 3.3.5 弹性损伤张量形式
• 3.4 节理岩体损伤张量定义
• 3.4.1 节理组地质资料计算损伤张量
• 3.4.2 多组裂隙整体损伤张量定义
• 3.5 本章小结
• 第四章 节理岩体节点损伤位移
• 4.1 概述
• 4.2 二阶张量损伤有限元方法
• 4.2.1 有效应力张量计算
• 4.2.2 节理岩体损伤有限元数值离散方法
• 4.2.3 八节点正六面体单元有限元离散
• 4.2.4 二阶张量损伤有限元方法推导
• 4.2.4.1 损伤引起的单元节点附加载荷
• 4.2.4.2 损伤模型单元刚度矩阵
• 4.2.4.3 损伤单元附加节点位移
• 4.3 损伤有限元程序编制步骤
• 4.4 本章小结
• 第五章 损伤有限元程序验证及参数影响分析
• 5.1 概述
• 5.2 损伤有限元程序验证
• 5.2.1 计算模型及材料参数
• 5.2.2 程序验证及计算结果分析
• 5.3 损伤有限元参数影响分析
• 5.3.1 随机裂隙空间分布对岩体稳定性的影响
• 5.3.2 损伤参数（损伤因子）对岩体稳定性的影响
• 5.3.3 裂隙充填（拉、压剪应力传递系数）对岩体稳定性的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 损伤有限元在厦门海底隧道中的应用
• 6.1 概述
• 6.2 工程地质概况
• 6.3 岩体结构面优势方位与张开度统计研究
• 6.3.1 优势方位
• 6.3.2 张开度
• 6.4 厦门海底隧道最小岩石覆盖厚度分析
• 6.4.1 计算工况及模型
• 6.4.2 岩土物理力学参数
• 6.4.3 计算结果及分析
• 6.4.3.1 初始无损状态下隧道岩石覆盖厚度
• 6.4.3.2 考虑损伤时隧道岩石覆盖厚度
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 附录:海底隧道最小岩石覆盖厚度研究成果
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文题目
• 学位论文评阅及答辩情况表