地下工程围岩与支护体相互作用的模型试验研究与理论分析

论文摘要

随着我国隧道建设逐渐向着“长、大、深、群”方向发展,隧道的稳定性日益成为设计和施工的首要问题,但由于地下工程的复杂性和不可预见性,现有的隧道围岩破坏机理研究尚不成熟,缺乏对深埋隧道围岩破坏过程及围岩与支护体相互作用机理的相关研究。论文结合国家自然科学基金重点项目“隧道及地下空间工程结构物的稳定性与可靠性”,以重庆市共和隧道为工程背景,采用室内相似模型试验和数值模拟相结合的手段,对不同工况下围岩体破坏演化过程、应力变化规律和锚杆轴力变化规律进行了研究。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)研制出环氧树脂、聚酰胺、硅橡胶、硅橡胶固化剂、砂、重晶石粉和汽油的某种配比作为岩类的相似材料,相似材料性能稳定,试验重复性好,采用汽油作为溶剂能够快速干燥,相似材料主要物理力学指标的理论值和实测值较为接近,能够满足大型物理模型试验的需要。(2)针对实际情况,在真三轴试验机上进行了隧道在毛洞和不同支护条件下的超载试验。试验过程中采用内窥摄影技术实时监测试件的破坏演化全过程,确定了高应力条件下隧道的变形特征和裂纹演化特征;应用应变测量技术对隧道关键部位的应变值和锚杆的应变值进行了测量,据此分析了围岩体的应力变化规律和锚杆的轴力变化规律。(3)针对相似材料的力学特性,建立了应变软化模型,采用和模型试验相同的边界条件进行了毛洞和不同支护条件下的超载条件下的数值模拟工作,对围岩体的塑性区、应力场和位移进行了研究,对锚杆的轴力随荷载的变化过程进行了研究,对不同工况的计算结果进行了比较。(4)对模型试验和数值模拟的结果进行比较验证,对两者所反映的围岩体应力变化规律进行了比较,可知两者反映了相同的规律。(5)用塑性应变产生突变作为隧道失去稳定的判据对数值模拟所反映的围岩体的破坏演化过程和模型试验所反映的破坏演化过程进行比较,可知两者反映的破坏演化过程是基本吻合的。(6)根据超载试验的结果提出了安全系数的概念,给出了各个工况的安全系数。

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 国内外研究现状
• 1.2.1 围岩稳定性研究现状
• 1.2.2 围岩与支护体相互作用机理研究现状
• 1.2.3 地下工程物理模型试验的国内外研究现状
• 1.3 有待进一步研究的问题
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 模型试验的基本原理及试验概况
• 2.1 前言
• 2.2 典型示范工程概况
• 2.2.1 工程地质概况
• 2.2.2 隧道洞室结构设计
• 2.3 模型试验设计
• 2.3.1 基本原理
• 2.3.2 模拟范围、相似比
• 2.3.3 模拟岩体的主要物理力学参数
• 2.3.4 相似材料的研制
• 2.3.5 模型制作
• 2.3.6 观测内容和手段
• 2.3.7 试验步骤
• 2.4 试验设备
• 2.4.1 试验设备创新性
• 2.4.2 主要技术指标
• 第三章 高应力条件下围岩变形破坏过程的模型试验研究
• 3.1 前言
• 3.2 试件1 试验结果分析
• 3.2.1 荷载施加步骤
• 3.2.2 变形破坏过程
• 3.2.3 应力测试结果及其分析
• 3.3 试件2 试验结果分析
• 3.3.1 荷载施加步骤
• 3.3.2 应力测试结果及其分析
• 3.4 试件3 试验结果分析
• 3.4.1 荷载施加步骤
• 3.4.2 变形破坏过程
• 3.4.3 应力测试结果及其分析
• 3.5 试件4 试验结果分析
• 3.5.1 荷载施加步骤
• 3.5.2 变形破坏过程
• 3.5.3 应力测试结果及其分析
• 3.5.4 各层比较分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 高应力条件下围岩变形破坏过程的数值模拟研究
• 4.1 前言
• 4.2 数值计算模型
• 4.2.1 计算模型的选取
• 4.2.2 数值计算参数的选取
• 4.2.3 模型的建立及边界条件的施加
• 4.3 数值计算结果
• 4.3.1 毛洞计算结果
• 4.3.2 短锚杆支护计算结果
• 4.3.3 长锚杆支护计算结果
• 4.3.4 短锚杆和衬砌共同支护计算结果
• 4.3.5 长锚杆和衬砌共同支护计算结果
• 4.3.6 各工况计算结果对比
• 4.4 本章小结
• 第五章 模型试验和数值模拟的对比分析
• 5.1 前言
• 5.2 毛洞对比
• 5.2.1 应力和变形分析
• 5.2.2 对比分析
• 5.3 锚杆支护工况对比
• 5.3.1 锚杆的支护作用
• 5.3.2 对比分析
• 5.4 锚杆和衬砌共同支护工况对比
• 5.4.1 喷层的支护作用
• 5.4.2 对比分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 在读期间科研成果统计
• 致谢