节理破碎岩体隧道稳定性及锚固效果研究

论文摘要

岩体在最初形成以及之后的亿万年发展过程中,经受了各种复杂的地质构造作用,因此岩体中存在有大量的断层、节理和裂隙等结构面。这些各种类型的结构面正是岩体中的薄弱部分,它们的刚度和力学强度比岩石母体材料小得多。在节理破碎岩体中,隧道的失稳破坏往往是由于岩块沿节理面的剪切滑移造成的。以往对于节理破碎岩体稳定性的研究往往是将其理想化为连续介质,通过弱化岩体参数模拟岩体中的节理面,这种方法虽然具有一定的科学性,但是忽视了节理面和岩块之间的区别,往往和工程实践有一定差别。本文运用离散单元软件对节理破碎岩体中的隧道施工进行数值模拟,结合正交试验分析的方法,以剪切滑移区面积作为试验评价指标,分别考察了节理破碎岩体中隧道赋存环境因素、岩块性质因素和节理面性质因素对剪切滑移区的影响。然后,本文结合在建的“兰渝客运专线”,研究了节理破碎岩体中锚杆对隧道稳定性的控制作用。通过扰动区,洞周位移,锚杆受力情况等指标,对锚杆在节理破碎岩体中的作用效果进行评价。同时引入了一种考虑横向剪切作用的杆单元,与以往的杆单元进行对比,得出在考虑横向剪切作用后,锚杆对稳定性的提升效果。本文主要得出以下结论：(1)赋存环境因素中,影响隧道稳定性的主要是隧道埋深和节理面间距,随着埋深的增大和节理间距的减小,剪切滑移区范围有明显的增大；(2)节理面性质是隧道稳定性的主要影响因素。节理面的剪切滑移主要是由节理面的变形和剪切破坏两种方式引起的。对于层状岩体,节理面的变形是产生剪切滑移的主要方式,因此节理面的法向刚度和剪切刚度是影响稳定性的主要因素；而对于块状及碎裂状岩体节理面的剪切破坏是产生剪切滑移的主要方式,所以节理面的内摩擦角和粘聚力是影响稳定性的主要因素；(3)在层状岩体中,锚杆可以提高节理面的刚度,从而减小由节理变形引起的剪切滑移,增强隧道的稳定；在块状及碎裂状岩体中,锚杆可以提高节理面的抗剪切强度,从而达到提高隧道稳定性的效果。考虑横向剪切作用的杆单元,对围岩稳定性有明显提升。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 地下工程围岩稳定性分析研究现状
• 1.2.1 稳定性分析理论研究现状
• 1.2.2 稳定性分析方法研究现状
• 1.3 锚杆与围岩相互作用机理研究现状
• 1.3.1 锚杆荷载传递机理
• 1.3.2 锚杆与围岩相互作用机理研究
• 1.4 本论文研究的主要内容与研究方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 第2章 离散单元法及正交试验理论基础
• 2.1 离散单元法介绍
• 2.1.1 离散单元法的发展和意义
• 2.1.2 离散单元法在隧道工程中应用的研究动态
• 2.2 离散元基本理论
• 2.2.1 块体的表示
• 2.2.2 块体的运动方程
• 2.2.3 块体的接触问题
• 2.2.4 离散元加固与支护理论
• 2.3 正交试验设计理论基础
• 2.3.1 正交原理的发展
• 2.3.2 正交试验的基本步骤
• 2.3.3 正交试验结果分析
• 2.3.4 正交试验设计结果的方差分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 围岩稳定性影响因素正交试验设计
• 3.1 结构面的变形与强度性质
• 3.1.1 结构面的法向变形性质
• 3.1.2 结构面的剪切变形性质
• 3.1.3 结构面的强度性质
• 3.2 节理破碎岩体隧道开挖扰动区的分布规律
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 节理间距对扰动区的影响
• 3.3 节理破碎岩体稳定性正交试验设计
• 3.3.1 试验评价指标
• 3.3.2 试验方案设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 正交试验结果分析
• 4.1 赋存环境因素
• 4.1.1 模型建立及参数选取
• 4.1.2 结果分析
• 4.2 层状岩体节理面及岩块性质因素分析
• 4.2.1 模型建立及参数选取
• 4.2.2 节理面性质因素结果分析
• 4.2.3 岩块性质因素结果分析
• 4.2.4 层状岩体节理面及岩块性质因素综合分析
• 4.3 块状及碎裂状岩体节理及岩块性质因素
• 4.3.1 模型建立及参数选取
• 4.3.2 节理面性质因素结果分析
• 4.3.3 岩块性质因素结果分析
• 4.3.4 块状及碎裂状岩体节理面及岩块性质因素综合分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 节理破碎岩体锚固效果研究
• 5.1 隧道围岩锚杆支护作用机理
• 5.1.1 锚杆的支护方式
• 5.1.2 全长粘结式锚杆的受力机理
• 5.1.3 加锚节理面抗剪性能研究
• 5.2 隧道工程概况
• 5.3 模型建立
• 5.3.1 模型几何尺寸
• 5.3.2 计算参数
• 5.3.3 计算原则
• 5.3.4 计算方案
• 5.4 计算结果分析
• 5.4.1 Ⅳ级层状围岩计算结果分析
• 5.4.2 Ⅳ级块状围岩计算结果分析
• 5.4.3 Ⅴ级碎裂状围岩计算结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间从事的科研项目