层状软岩流变参数各向异性特征及其对隧洞围岩稳定性的影响研究

论文摘要

软弱岩体既具有明显的蠕变力学特性，又存在力学性质的各向异性。本文以白龙江流域水泊峡、喜儿沟、橙子沟电站引水隧洞工程为背景，针对不同倾角结构围岩赋存的区域性地质条件，从软弱岩体工程的时效性和长期稳定性问题出发，系统开展了随岩样受力主方向与层理面的方位之间夹角变化的岩体蠕变特性试验研究；在此基础上，通过数值模拟以及现场监测成果研究了不同倾角下隧道软岩蠕变参数各向异性对围岩稳定性的影响。主要包括以下内容：（1）白龙江流域水泊峡、喜儿沟、橙子沟水电站等引水隧洞区的岩性大部分属于岩性较软的石英云母片岩、绢云母片岩和千枚岩等；层厚几厘米到几十厘米不等；岩层倾角有10°左右的（过渡段还有水平的）缓倾角70°、85°近似直立的陡倾角。该套层状软岩与洞轴呈各种角度相交，由此表现出蠕变各向异性特征成为影响围岩稳定性的主要因素。（2）围岩内赋存的地应力大小与岩体厚度大小有关，研究区上覆岩体最厚的达300-700m。区域地应力场反演结果表明：研究区应力较高，反演结果为数值模拟提供合理的构造应力输入条件。（3）对不同层理面倾角软岩的蠕变试验结果表明，层理面倾角对岩体的蠕变强度影响很大，长期强度与层面倾角的关系曲线呈波浪型变化，最大值位于垂直层理面方向上，剪切蠕变的长期强度最低。蠕变参数中马克思威尔模量及粘滞系数、开尔文模量及粘滞系数随着垂直片理面的压缩蠕变沿着片理面的压缩蠕变沿着片理面的剪切蠕变的顺序逐渐减小，而马克思威尔模量及粘滞系数、开尔文模量及粘滞系数的变化趋势基本相同，成波浪形变化：马克思威尔模量及粘滞系数的最小值出现在45°60°左右，0°垂直加载时量值最大；开尔文模量及粘滞系数的最小值均出现在45°左右，最大值出现在0°。在此基础上拟合出各蠕变参数随倾角变化关系式，此关系式可换算出其他角度的蠕变参数值。（4）综合四电站的围岩特征建立概念模型，采用3DEC离散元软件的蠕变模块对不同倾角影响下围岩在开挖与支护工况下的变形特征进行了数值分析，结果表明，开挖后围岩向临空面有一定程度的回弹；随层理面倾角的不同，开挖位移量值有所差异，岩层倾角为0°或90°时，蠕变位移最小，当倾角在15°75°之间变化时，蠕变位移振荡式增大，对于X方向监测曲线，最大值多出现在30°60°；对于Y方向监测曲线，最大值多出现在15°或75°。层理面的存在对岩体的整体稳定性具有重要影响。支护后洞周围岩位移量值明显减少。（5）选择电站引水隧洞围岩稳定性的数值模拟结果表明，计算获得隧洞围岩的变形特征与现场变形监测数据基本吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 前言
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 软岩蠕变特性研究现状
• 1.2.2 软岩各向异性研究现状
• 1.2.3 隧洞围岩稳定性研究现状
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究技术路线
• 第2章 典型地段软岩赋存地质背景条件研究
• 2.1 区域地质条件概况
• 2.1.1 区域地层岩性
• 2.1.2 区域地质构造
• 2.1.3 新构造运动与地震
• 2.2 区域应力场特征
• 2.2.1 区域构造应力及最大主应力方向的总体特征
• 2.2.2 区域构造应力场的数值分析
• 第3章 软岩的物理力学性质研究
• 3.1 软岩的力学性质
• 3.1.1 软岩室内岩石试验成果分析
• 3.1.2 软岩现场岩体变形试验成果分析
• 3.2 软岩的蠕变性质
• 3.2.1 岩样的物质组成
• 3.2.2 软岩剪切蠕变试验
• 3.2.3 软岩各向异性单轴压缩蠕变试验研究
• 3.2.4 蠕变参数各向异性分析
• 3.3 软岩力学参数的选取
• 3.3.1 常规力学参数的选取
• 3.3.2 蠕变参数的选取
• 第4章 层状软岩蠕变各向异性对隧洞围岩稳定性的影响分析
• 4.1 数值分析方法的选取
• 4.2 基于 3DEC 的隧洞围岩稳定性蠕变各向异性特征分析
• 4.2.1 计算模型的建立
• 4.2.2 计算结果分析
• 4.3 典型工程隧洞围岩稳定性的研究
• 4.3.1 水泊峡水电站引水隧洞引 1+030 段围岩稳定性的研究
• 4.3.3 喜儿沟水电站引水隧洞引 0+363 段围岩稳定性的研究
• 4.3.4 橙子沟水电站引水隧洞引 12+215 段围岩稳定性的研究
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果