岩石地下洞室与边坡的相互影响研究

论文摘要

地下洞室包括各类天然形成的地下空区（溶洞等）、矿山生产过程中形成的地下采空区以及各类人工开挖形成的洞室（如人防洞、隧道等）。地下洞室与边坡的相互影响问题是随着工程建设的开展而出现的。根据地下洞室与边坡存在的先后顺序将地下洞室与边坡的关系分为两种情况,第一种情况是地下洞室先于边坡存在,如地下开采转为露天开采条件下矿山的地下采空区与露天开挖的边坡;另一种情况是边坡先于地下洞室存在,如山区隧道开挖形成的洞口边坡与隧道。地下洞室与边坡的相互影响问题一般可以分为两个方面来研究:一方面是地下洞室的存在对边坡稳定的影响;另一方面是边坡施工对地下洞室稳定性的影响。另外,根据地下洞室与边坡的相对空间位置还会带来另外一个十分重要的问题,即地下洞室顶板的安全厚度问题。顶板的安全厚度关系到地下洞室的安全与正常运营,甚至关系边坡的稳定。本文结合湖南省自然科学基金资助项目“GFRP锚杆加固岩质边坡基本理论与设计方法研究”（07JJ6084）与高等学校博士点学科专项基金项目“复杂岩体边坡最危险滑动面的滑移线分条自动搜索研究”（20060533071）以及贵州宏福实业开发有限总公司“瓮福磷矿穿岩洞矿段地下转露天开采中地下采空区对露天开采的影响研究”等研究课题,对地下洞室与边坡之间的相互影响以及顶板安全厚度进行了深入的研究。主要研究内容与结论如下:建立了边坡下伏地下岩石洞室深埋与浅埋的计算模型,应用弹性力学理论与相同映射函数的复变函数解法推导了边坡下伏浅埋圆形洞室的应力解析解,将深埋洞室视为一个双向受压无限板板孔应力集中问题,得到了边坡下伏深埋圆形洞室的应力解析解,对于复杂形状洞室,采用Christoffel-Schwarz积分确定映射函数或采用近似方法和数值方法来研究。采取弹塑性有限元与强度折减方法,利用自编的有限元程序对瓮福磷矿穿岩洞矿段地下采空区与露天边坡的相互影响进行了研究,模拟露天边坡开挖过程对边坡与地下采空区的影响,得到了各部开挖过程中边坡与采空区的应力、应变与塑性区分布以及边坡的安全系数。对工程上常用来估算地下洞室顶板安全厚度的简支梁与固支梁模型进行了改进,应用结构稳定理论,考虑地下洞室水平应力对安全顶板厚度的影响,分别建立集中力与均布荷载作用下改进的简支梁与固支梁模型。对改进的梁模型考虑岩石本构关系的影响,将岩石视为理想弹塑性材料,建立了改进梁模型的广义弯矩-曲率-轴力关系,并采取假设挠曲线的近似解法得到了最大承载力的广义弯矩-轴力-侧向均布荷载的相关方程。运用裂隙张量理论,将岩体中的裂隙看作初始损伤,对含随机分布裂隙的顶板岩体进行了分析,推求了裂隙岩体的等效变形模量和等效泊松比,研究裂隙密度对地下洞室顶板厚度的影响。应用突变理论建立了地下球形洞室与地下巷道式洞室顶板的突变模型,得到地下洞室顶板失稳破坏的必要条件与充分条件。经过分析可知,地下洞室顶板安全厚度与岩石弹性模量、泊松比、洞室跨度、自重以及板顶荷载与板端水平应力有关。将顶板上车辆荷载视为简谐荷载,研究在车辆简谐荷载作用下顶板的动力响应,得到了在匀速移动的车辆简谐荷载下,考虑基本振型时,共振发生在ω1=Qp,动力放大因子将取决于车辆移动的速度。在一般阻尼情况下,动力放大因子取决于阻尼比ξ1的大小,匀速移动车辆荷载作用下动力响应只有固定于跨中的车辆荷载作用下的动力响应的一半。建立了车队荷载作用下,地下洞室顶板失稳的突变理论模型,得到了顶板失稳破坏的充要条件。将地下洞室顶板视为单向厚板或矩形厚板,在车辆荷载作用下进行了动力学分析,分析了不同边界条件的影响,得到了在车辆振动荷载作用下顶板的动力放大系数。采用FLAC3D如软件与强度折减理论对地下采空区的顶板厚度与稳定性进行了分析,并且研究了地下采空区的采高与跨度对顶板厚度的影响。针对瓮福磷矿穿岩洞矿段地下转露天开采中的地下采空区与露天边坡,采用SURPAC软件建立了地下采空区的三维地质模型,编制了模型与FLAC3D的接口程序,将三维模型导入FLAC3D如计算程序,在边坡与空区设置监测点,研究分析地下采空区与露天边坡之间的相互影响。本文立足于学科前沿,运用最新数学计算方法和手段,对地下洞室与边坡的相互影响进行了深入研究,具有较高的理论和应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状与进展
• 1.2.1 地下洞室稳定性研究现状
• 1.2.2 岩质边坡稳定性研究现状
• 1.2.3 地下洞室顶板安全厚度研究现状
• 1.2.4 地下洞室与边坡相互影响研究现状
• 1.3 主要研究内容与研究方法
• 第二章 边坡下伏地下洞室的弹性解析
• 2.1 引言
• 2.2 地下洞室的破坏模式与稳定判据
• 2.2.1 地下洞室的破坏模式
• 2.2.2 地下洞室的稳定性判据
• 2.3 深浅埋地下洞室的定性划分
• 2.4 浅埋圆形洞室应力的弹性解析法
• 2.4.1 平面弹性解析解方法
• 2.4.2 边坡下浅埋圆形洞室问题的描述
• 2.4.3 共形映射
• 2.4.4 边界条件
• 2.5 深埋圆形洞室应力的弹性解析法
• 2.6 复杂形状深埋地下洞室应力的弹性解析法
• 2.7 边坡下浅埋圆形洞室算例
• 2.8 小结
• 第三章 瓮福磷矿地质条件与岩石力学试验
• 3.1 瓮福磷矿地下开采转露天开采地质条件评价
• 3.2 室内力学试验与试验结果的工程处理
• 3.3 小结
• 第四章 下伏地下洞室岩质边坡动态施工有限元模拟
• 4.1 引言
• 4.2 弹塑性基本理论
• 4.2.1 屈服准则
• 4.2.2 加工硬化规律
• 4.2.3 流动法则
• 4.2.4 弹塑性模量矩阵
• 4.3 有限元方法基本理论
• 4.3.1 有限元方法概述
• 4.3.2 四边形等参元
• 4.4 开挖效应的模拟
• 4.5 强度折减法计算安全系数
• 4.5.1 有限元强度折减法
• 4.5.2 边坡安全系数取值标准
• 4.6 瓮福磷矿地采转露采条件下边坡施工有限元模拟
• 4.6.1 程序设计
• 4.6.2 计算模型
• 4.6.3 计算结果分析
• 4.7 小结
• 第五章 地下洞室顶板安全厚度的确定
• 5.1 引言
• 5.2 改进梁模型
• 5.2.1 改进简支梁模型
• 5.2.2 改进固端梁法
• 5.2.3 实例分析
• 5.3 改进梁模型的弹塑性分析
• 5.3.1 广义弯矩-曲率-轴力关系
• 5.3.2 最大承载力近似解法
• 5.3.3 算例
• 5.4 确定地下洞室顶板安全厚度的突变理论分析
• 5.4.1 突变理论
• 5.4.2 地下球形洞室顶板安全厚度的突变理论分析
• 5.4.3 地下巷道顶板厚度的突变理论分析
• 5.5 初始地质缺陷对地下洞室顶板安全厚度的影响
• 5.5.1 裂隙张量
• 5.5.2 等效初始柔度张量
• 5.5.3 等效变形模量
• 5.5.4 算例分析
• 5.6 小结
• 第六章 车辆荷载对地下洞室顶板的影响研究
• 6.1 引言
• 6.2 车辆荷载作用下顶板安全厚度的确定
• 6.2.1 车辆荷载作用下顶板的动力响应
• 6.2.2 车辆荷载作用下顶板厚度的确定
• 6.3 车列荷载作用下顶板厚度的突变分析
• 6.3.1 车列荷载作用下顶板的突变模型
• 6.3.2 车列荷载作用下地下洞室顶板失稳的突变理论判据
• 6.3.3 车列荷载作用下地下洞室顶板安全厚度确定
• 6.3.4 最小安全厚度的影响因素分析
• 6.3.5 算例分析
• 6.4 地下洞室顶板的厚板动力学分析
• 6.4.1 厚板动力学理论基本方程
• 6.4.2 矩形厚板动力计算实用解
• 6.4.3 车列荷载作用下地下洞室顶板的厚板动力学分析
• 6.5 小结
• 第七章 地下洞室顶板安全厚度的 FLAC分析
• 7.1 引言
• 3D在地下洞室顶板安全厚度确定中的应用'>7.2 FLAC^3D在地下洞室顶板安全厚度确定中的应用
• 3D原理'>7.2.1 FLAC^3D原理
• 7.2.2 强度折减技术原理
• 7.2.3 破坏标准
• 7.2.4 安全系数求解
• 7.2.5 计算模型与计算方案
• 7.2.6 计算结果分析
• 7.3 小结
• 3D分析'>第八章 地下洞室与边坡相互影响的FLAC^3D分析
• 8.1 引言
• 8.2 地下洞室的三维建模技术
• 8.2.1 Surpac介绍
• 8.2.2 地下采空区的三维地质模型
• 3D分析'>8.3 基于Surpac建模的采空区与露采边坡相互影响的FLAC^3D分析
• 8.3.1 计算模型
• 8.3.2 计算方案
• 8.3.3 计算结果分析
• 8.4 小结
• 第九章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要研究成果
• 1 发表的学术论文
• 2 主持或参加的科研工作