软弱夹层对隧道围岩及支护结构的影响研究

论文摘要

大量的工程实践表明,软弱夹层对隧道围岩稳定及施工安全有着决定性的影响,对此曾有不少文献做过研究,但是系统深入不够,甚至还有些争议。本文首先在岩石力学中研究结构面破坏的关键块理论基础上,根据隧道围岩稳定性分析的“剪应力主导原则”,引入了岩土工程中分析滑坡稳定性的JRC - JCS模型公式,提出了结构面剪切破坏,软弱夹层下滑的隧道围岩失稳判定条件。其次,给出了采用分形理论计算结构面粗糙系数JRC、采用有限元数值模拟方法计算软弱结构面应力场、应用JRC - JCS模型公式判别隧道围岩是否稳定的工作程序;第三,采用有限元数值模拟方法,详细地研究了贯通式、交互式、半贯通式软弱夹层的层厚、倾角、夹层材料、围岩材料等因素对隧道围岩稳定性的影响;最后,通过对含交互式结构面隧道围岩4种不同开挖方法的数值模拟比较分析,得出了最佳的开挖方法。论文所给出的隧道围岩失稳评判模型和数值模拟结果,对于含软弱夹层隧道围岩的稳定性分析以及此类隧道开挖方法的选择具有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 隧道围岩稳定性研究综述
• 1.2.2 结构面对隧洞围岩稳定影响研究现状
• 1.2.3 隧道围岩的分形特征研究
• 1.2.4 隧道围岩稳定性的数值模拟研究
• 1.3 本文研究内容及技术路线
• 1.3.1 本文研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 岩体结构面的特征分析
• 2.1 表征岩体的几个定义
• 2.2 岩体结构面的工程分级
• 2.3 结构面的表观状态及描述
• 2.3.1 结构面的结合和充填特征
• 2.3.2 结构面的形态特征及其描述
• 2.4 节理的力学成因及特性
• 2.4.1 剪节理
• 2.4.2 张节理
• 2.5 结构面的力学特性
• 2.5.1 结构面的法向变形性质
• 2.5.2 结构面的剪切变形性质
• 2.5.3 结构面抗剪强度
• 2.6 本章小结
• 第三章 含结构面隧道围岩的分形理论
• 3.1 引言
• 3.2 分形理论的基本内容
• 3.2.1 分形的定义
• 3.2.2 分形维数
• 3.3 隧道围岩的分形特征分维数计算
• 3.3.1 隧道围岩的分形特征
• 3.3.2 隧道围岩的分维数计算方法
• 3.3.3 节理裂隙网络及照片分维数的计算
• 3.4 隧道围岩破坏的分形理论模型
• 3.4.1 隧道围岩破坏的剪应力主导原则
• 3.4.2 围岩结构面的分形理论分析
• 3.4.3 JRC - JCS模型公式应用于隧道围岩稳定性分析中应注意的问题
• 3.4.4 JRC - JCS模型公式在隧道围岩稳定性分析中的应用
• 3.5 本章小结
• 第四章 软弱结构面对隧道围岩稳定性影响的数值模拟研究
• 4.1 问题描述
• 4.2 有限元计算的基本理论
• 4.2.1 有限元基本原理
• 4.2.2 材料Drucker-Prager 屈服准则
• 4.2.3 接触分析
• 4.2.4 局部坐标系的定义
• 4.3 交互式结构面对浅埋隧道围岩稳定的数值模拟
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 计算参数
• 4.3.3 计算结果
• 4.4 贯通式结构面对隧道围岩稳定的数值模拟
• 4.4.1 计算模型
• 4.4.2 计算参数
• 4.4.3 计算结果
• 4.5 半贯通式结构面对隧道围岩稳定的数值模拟
• 4.5.1 半贯通式结构面顶点到隧道拱腰点距离变化对隧道围岩稳定性的影响
• 4.5.2 半贯通式结构面倾角变化对隧道围岩稳定性的影响
• 4.5.3 半贯通式结构面夹层厚度变化对隧道围岩稳定性的影响
• 4.5.4 半贯通式结构面参数变化对隧道围岩稳定性的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 交互式结构面隧道开挖支护的数值模拟
• 5.1 隧道开挖支护的一般理论
• 5.1.1 地应力场理论
• 5.1.2 锚杆和钢拱架的模拟
• 5.1.3 开挖和支护的实现
• 5.2 有限元模型的建立
• 5.2.1 计算假定
• 5.2.2 计算模型
• 5.3 隧道施工顺序的模拟分析方案
• 5.4 隧道施工模拟分析
• 5.4.1 方案一施工过程分析
• 5.4.2 方案二施工过程分析
• 5.4.3 方案三施工过程分析
• 5.4.4 方案四施工过程分析
• 5.5 方案对比分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢