基于能量释放率的地下工程稳定性研究

论文摘要

近年来,随着我国国民经济的快速发展,地下工程在我国众多地区和领域的开发利用日益增加,众多地下工程正处于建设或筹划之中,地下工程建设呈现出方兴未艾的局面。而地下工程的稳定性问题历来都是岩土工程学界研究的重点内容之一。地下工程岩体在开挖前处于三向受力状态,岩体的开挖必将引起围岩应力场的变化,使得围岩应力在开挖方向发生卸荷松驰。过去对地下工程的稳定性问题一般是运用加载岩体力学的方法来研究,由于卸荷与连续加载具有完全不同的应力路径,因而两者所引起的岩体变形和破坏特性也存在很大差异,因此沿用连续加载强度理论来预测工程岩体在开挖卸荷作用下的力学特性及其稳定性,显然是不切实际的。本文主要以理论分析、数值模拟、室内实验为方法,工程应用为目的,通过岩石三轴加、卸荷试验,研究卸荷条件下岩体的力学和变形特性及破坏机理,运用能量释放率指标分析不同开挖方式对地下工程稳定性的影响,并结合现场实测数据开展相应的工程检验工作。总体上,本论文的主要研究内容和成果如下：（1）利用TAW—2000微机控制岩石伺服三轴压力试验机,对辉绿岩进行常规三轴压缩试验和三轴卸围压试验；其中卸荷试验突破了长期以来以加载方式研究岩体力学的途径；对加载和卸载条件下岩体的变形特点、强度特征、脆延转换规律及破坏模式进行了对比分析,发现卸荷引起的强烈扩容是岩石变形突然破坏的根本原因,此外加载破坏主要以剪切破坏方式为主,而卸载条件下,岩样则表现出明显的张剪复合型破坏,且卸载破坏比加载破坏更为猛烈,更具突发性。（2）加载和卸载条件下,岩石材料内部微结构的破坏过程和破坏程度是不相同的。地下工程围岩的失稳主要是由于工程开挖卸荷导致岩体产生损伤劣化,围岩的损伤劣化发展到一定程度造成围岩失稳。由于应力路径的不同,相同条件下的岩体力学行为在卸荷条件下与连续加载条件下也不相同,因此,沿用连续加载强度理论来预测工程岩体在开挖卸荷作用下的力学特性及其稳定性,显然是不切实际的。本次试验证明在卸荷过程中岩体的变形模量E逐渐减小而泊松比μ逐渐增大,弹性模量E大约减小了3.4%-7.7%,而p最低增加约13.5%,最高增加达65%,这种变化幅度随初始围压的增大和卸荷程度的增强而变大；此外,相对常规压缩试验,卸荷岩体的摩擦角φ有所增加而粘聚力c大大降低。上述结果表明,将卸载试验方法获得的岩体力学参数用于地下工程开挖计算更符合工程实际。（3）通过常规三轴加载试验和卸荷试验研究了岩样在不同围压下的破坏模式和破坏程度,从能量的角度进一步解释了加载破坏和卸载破坏分属完全不同的应力路径；（σ1-σ3）越大,表明发生的卸荷量越大,释放的能量越多,能量释放率越高,随着能量的释放,岩石损伤劣化加剧,稳定性逐渐降低,到一定程度时,试件突然发生破坏。基于上述试验现象,提出由不同的高跨比（H/B）确定燕子崖隧道开挖方案,采用能量释放率指标对其进行优化,结果表明开挖断面高跨比不大时,开挖受到周边围岩的夹制作用较大,围岩卸荷受到一定程度的约束,进而能量释放率不高,围岩偏于稳定；与此相反,随着一次性开挖量的增加,围岩卸荷更加自由,能量释放率迅速增大,围岩稳定性降低程度也更加明显。表明采用合理的开挖高度和一次开挖量有利于改善围岩稳定性。（4）对于地下工程而言,开挖导致的围岩能量释放率越大,围岩的损伤劣化就越严重,其稳定性就越低,反之则越稳定。文中以维一德公路燕子崖隧道特殊的地质条件和施工环境为背景,利用FLAC软件对该隧道进行开挖卸荷模拟,对比分析了不同开挖方案下洞壁岩石单元的能量释放率,采用该指标评定地下工程围岩的稳定性,进而优化开挖方案,并通过能量释放量、平均能量释放率和传统的塑性区体积指标说明了其科学性。最终由能量释放率指标优选的开挖方案Ⅱ在燕子崖隧道施工中获得了实际应用,文中进一步利用现场施工期隧道围岩的水平收敛值和拱顶下沉量与模拟结果进行对比分析,实测结果和模拟结果具有良好的一致性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究
• 1.2.1 基于能量原理的岩石材料研究概况
• 1.2.2 地下工程围岩稳定性研究方法
• 1.3 有待进一步研究的问题
• 1.4 研究内容及技术路线
• 第二章 地下工程开挖的能量释放规律研究
• 2.1 概述
• 2.2 地下工程岩体的弹性应变能计算
• 2.2.1 弹性应变能密度函数
• 2.2.2 地下工程开挖的岩体能量释放
• 2.3 地下工程周围岩体的能量分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 三轴卸围压条件下岩石的力学特性试验研究
• 3.1 概述
• 3.2 三轴卸荷试验应力路径及方案的确定
• 3.2.1 卸荷应力路径
• 3.2.2 试验方案
• 3.3 试验设备、试件制备及控制方式和围压确定
• 3.3.1 试验设备、试件制备及控制方式
• 3.3.2 围压确定
• 3.4 试验步骤
• 3.5 试验结果分析
• 3.5.1 岩样加卸荷变形特征分析
• 3.5.2 卸荷状态下岩石变形参数的变化特征
• 3.5.3 卸荷状态下岩石强度参数的变化特征
• 3.6 岩样加卸载破坏对比分析及卸载破坏过程机制
• 3.6.1 岩样加卸载破坏对比分析
• 3.6.2 卸载破坏过程机理
• 3.7 基于能量原理的岩石试件破坏分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 地下工程开挖卸荷过程的能量释放模拟
• 4.1 概述
• 4.2 数值模拟方法的选择
• 4.3 有限差分数值计算程序FLAC简介
• 4.4 基于能量释放率的隧道开挖稳定性数值模拟
• 4.4.1 工程概况
• 4.4.2 岩体物理力学参数
• 4.4.3 岩石材料的屈服准则
• 4.4.4 初始应力场及边界条件
• 4.4.5 隧道开挖方案设计
• 4.5 三维计算模型的建立及开挖方案优选分析
• 4.5.1 三维计算模型的建立
• 4.5.2 壁面围岩能量释放率分析
• 4.5.3 壁面围岩能量释放量分析
• 4.5.4 壁面围岩的平均能量释率指标
• 4.5.5 围岩塑性区体积分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 工程应用
• 5.1 概述
• 5.2 工程地质概况
• 5.3 监测项目的选取及断面测点布置
• 5.4 实测水平收敛及拱顶下沉数据收集及处理
• 5.5 模拟计算结果和典型部位实测数据对比分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 （攻读学位期间发表的论文及参加的科研项目）
• 一、公开发表的学术论文
• 二、参加的科研项目