節(jié)理巖體各向異性特性和隧道支護(hù)計算方法研究

節(jié)理、裂隙、斷層等各類結(jié)構(gòu)面的存在破壞了巖體的連續(xù)性，是導(dǎo)致巖體各向異性的主要原因，基于均質(zhì)、連續(xù)、各向同性假設(shè)的傳統(tǒng)計算方法已經(jīng)難以滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道支護(hù)設(shè)計和穩(wěn)定分析，開展節(jié)理巖體各向異性特性研究對于提高隧道與地下工程支護(hù)設(shè)計水平具有重要理論意義和應(yīng)用前景。 本項(xiàng)目采用理論分析、基于數(shù)值流形方法和離散元法的數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的研究方法，重點(diǎn)研究了層狀節(jié)理巖體和含有兩組斜交節(jié)理巖體的各向異性特征及強(qiáng)度預(yù)測方法、圍巖抗力系數(shù)分布特征和影響因素、淺埋大跨隧洞松動破壞機(jī)制和松動區(qū)分布特征及松動壓力計算方法等，取得的主要成果包括：1）層狀結(jié)構(gòu)巖體強(qiáng)度隨節(jié)理傾角的變化曲線呈勺子型，節(jié)理附近應(yīng)力集中和節(jié)理的剪切滑動破壞是導(dǎo)致巖體強(qiáng)度各向異性的主因；2）含有兩組節(jié)理巖體的強(qiáng)度也具有顯著的各向異性特征，兩組節(jié)理之間的相互作用控制著巖體的破壞模式與強(qiáng)度；3）建立了根據(jù)節(jié)理間距、傾角、節(jié)理和巖石強(qiáng)度以及圍壓預(yù)測層狀巖體三軸抗壓強(qiáng)度的計算公式，該公式簡單、實(shí)用、預(yù)測精度高，所有參數(shù)均有明確物理含義，且可通過常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)獲??；4）含有兩組斜交節(jié)理巖體的圍巖抗力系數(shù)分布曲線呈卵形，節(jié)理的傾角對隧道各個方向圍巖抗力系數(shù)值影響明顯，平行于節(jié)理方向的抗力系數(shù)明顯大于其他方向。節(jié)理法向剛度、巖石的彈性模量、節(jié)理間距、兩組節(jié)理間的夾角是影響抗力系數(shù)的主要因素；5）提出的圍巖抗力系數(shù)預(yù)測公式可根據(jù)巖石的彈性模量、節(jié)理法向剛度、節(jié)理間距、節(jié)理間夾角計算隧洞各個方向上的圍巖抗力系數(shù)值，合理反映節(jié)理分布狀態(tài)對抗力系數(shù)的影響；6）基于節(jié)理巖體中地下洞室圍巖松動區(qū)分布特征，以應(yīng)力傳遞原理和極限分析上限法為基礎(chǔ)，分別推導(dǎo)出節(jié)理巖體中淺埋地下洞室圍巖松動壓力計算的應(yīng)力傳遞法計算公式和極限分析上限法理論計算公式，除了可考慮洞室尺寸、埋深以及巖體性質(zhì)的影響外，還能考慮巖體中各類結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、巖體完整程度以及上部軟弱地層厚度等的影響，研究成果已用于大連地鐵車站隧道的支護(hù)設(shè)計，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 2100433B

巖體中眾多節(jié)理、斷層等結(jié)構(gòu)面的存在導(dǎo)致的節(jié)理巖體各向異性給隧道支護(hù)設(shè)計和穩(wěn)定分析造成了極大困難，如何確定圍巖壓力以及圍巖的抗力系數(shù)等成為此類隧道支護(hù)設(shè)計的關(guān)鍵。本項(xiàng)目針對節(jié)理巖體各向異性特性以及隧道支護(hù)計算方法，以優(yōu)勢節(jié)理巖體模型為基礎(chǔ)對數(shù)值流形法進(jìn)行改進(jìn)，將優(yōu)勢節(jié)理作為不連續(xù)面，含有密集分布節(jié)理、裂隙的巖體等效為符合H-B準(zhǔn)則的彈塑性連續(xù)介質(zhì)，建立可模擬隧道施工過程的節(jié)理巖體彈塑性數(shù)值流形方法。通過物理模擬和數(shù)值模擬，分析層狀結(jié)構(gòu)巖體和塊狀結(jié)構(gòu)巖體以及隨機(jī)分布節(jié)理巖體在不同尺度條件下的基本變形規(guī)律和破壞機(jī)理，揭示不同地應(yīng)力條件下節(jié)理巖體各向異性對隧道變形和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出圍巖松動壓力和圍巖抗力系數(shù)與節(jié)理分布參數(shù)之間的統(tǒng)計關(guān)系及其預(yù)測方法。通過優(yōu)化分析提出隧道的合理支護(hù)參數(shù)，指導(dǎo)此類隧道的設(shè)計。

各向異性是巖體基本屬性。對于柱狀節(jié)理巖體這種具有特定結(jié)構(gòu)面，各向異性顯著的巖體，按各向同性理論考慮對認(rèn)識其應(yīng)力變形及破壞規(guī)律有較大的局限性，甚至與實(shí)際相差較大。本研究針對中國西南廣泛發(fā)育的柱狀節(jié)理巖體，綜合研究其工程地質(zhì)巖組和巖體結(jié)構(gòu)特征、現(xiàn)場巖體原位實(shí)驗(yàn)及室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究其宏觀巖體的各向異性力學(xué)特性，推導(dǎo)并建立各向異性巖體彈塑性本構(gòu)關(guān)系。開展發(fā)育柱狀節(jié)理巖體工程的各向異性巖體力學(xué)數(shù)值分析，通過與各向同性模型力學(xué)分析比較，理解柱狀節(jié)理巖體各向異性力學(xué)特性對工程穩(wěn)定性的影響，為發(fā)育柱狀節(jié)理的巖體工程各向異性巖石力學(xué)分析提供理論基礎(chǔ)。依托在建的白鶴灘水利水電工程，針對壩址區(qū)廣泛發(fā)育的柱狀節(jié)理巖體，對涉及到其各向異性巖石力學(xué)特性及模型等關(guān)鍵技術(shù)問題開展了研究工作，結(jié)合原位測試資料及理論研究成果，深入探討和分析了柱狀節(jié)理巖體各向異性力學(xué)特性及各向異性力學(xué)模型，并將研究成果應(yīng)用于涉及柱狀節(jié)理各向異性巖石力學(xué)特性的大型水電工程實(shí)踐。 2100433B

摘要：各向異性是巖體具有的一種基本屬性，發(fā)育柱狀節(jié)理這種特定結(jié)構(gòu)面的巖體，其各向異性性質(zhì)更加顯著，各向同性力學(xué)理論對認(rèn)識其應(yīng)力變形及破壞模式有較大的局限性。本研究針對中國西南廣泛發(fā)育的柱狀節(jié)理巖體，綜合研究其工程地質(zhì)巖組和巖體結(jié)構(gòu)特征、現(xiàn)場巖體原位實(shí)驗(yàn)及室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究其宏觀巖體的各向異性力學(xué)特性，推導(dǎo)并建立各向異性巖體彈塑性本構(gòu)關(guān)系，以FLAC3D為開發(fā)平臺研制三維各向異性彈塑性數(shù)值程序。開展發(fā)育柱狀節(jié)理巖體工程的各向異性巖體力學(xué)數(shù)值分析，通過與各向同性模型力學(xué)分析比較，論證不同分析方法的差異，深入理解柱狀節(jié)理巖體各向異性力學(xué)特性對工程穩(wěn)定性的影響，為發(fā)育柱狀節(jié)理的巖體工程各向異性巖石力學(xué)分析提供理論基礎(chǔ)。

節(jié)理巖體的力學(xué)響應(yīng)特性成為影響巖石地下工程安全穩(wěn)定性的至關(guān)重要問題。巖體中節(jié)理裂隙分布的隨機(jī)性、巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)及所遭受的外界荷載的不確定性等使得地下工程不可避免地存在風(fēng)險，對不確定性因素造成的風(fēng)險越加受到人們的重視。本課題運(yùn)用隨機(jī)力學(xué)理論，考慮節(jié)理巖體節(jié)理裂隙分布、巖體力學(xué)參數(shù)及外來荷載的隨機(jī)性，研究節(jié)理巖體的隨機(jī)力學(xué)響應(yīng)問題，并用地質(zhì)代表單元體的力學(xué)特性以隨機(jī)分析法研究典型的大型地下洞室工程的安全穩(wěn)定性，揭示典型地下洞室工程在隨機(jī)因素作用下的失效破壞模式，并對洞室風(fēng)險的時空響應(yīng)問題進(jìn)行探索，進(jìn)行相應(yīng)的洞室工程風(fēng)險分級機(jī)制的研究，提出應(yīng)對風(fēng)險的措施。并擬開展一定的節(jié)理巖體單元體的塊體模型試驗(yàn)，并與數(shù)值分析做對比。通過以上關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，為節(jié)理巖體地下洞室工程的設(shè)計施工方案和參數(shù)的選取、支護(hù)加固措施的選擇以及風(fēng)險應(yīng)對措施的制定提供科學(xué)有效的依據(jù)，推動巖石力學(xué)隨機(jī)分析領(lǐng)域的研究和發(fā)展。