節(jié)理巖體各向異性特性和隧道支護計算方法研究

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)難以滿足復雜地質(zhì)條件下的隧道支護設(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設(shè)計水平具有重要理論意義和應用前景。 本項目采用理論分析、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度預測方法、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)巖體強度隨節(jié)理傾角的變化曲線呈勺子型，節(jié)理附近應力集中和節(jié)理的剪切滑動破壞是導致巖體強度各向異性的主因；2）含有兩組節(jié)理巖體的強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度；3）建立了根據(jù)節(jié)理間距、傾角、節(jié)理和巖石強度以及圍壓預測層狀巖體三軸抗壓強度的計算公式，該公式簡單、實用、預測精度高，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，以應力傳遞原理和極限分析上限法為基礎(chǔ)，分別推導出節(jié)理巖體中淺埋地下洞室圍巖松動壓力計算的應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設(shè)計，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。 2100433B

巖體中眾多節(jié)理、斷層等結(jié)構(gòu)面的存在導致的節(jié)理巖體各向異性給隧道支護設(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設(shè)計的關(guān)鍵。本項目針對節(jié)理巖體各向異性特性以及隧道支護計算方法，以優(yōu)勢節(jié)理巖體模型為基礎(chǔ)對數(shù)值流形法進行改進，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)律和破壞機理，揭示不同地應力條件下節(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)系及其預測方法。通過優(yōu)化分析提出隧道的合理支護參數(shù)，指導此類隧道的設(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識其應力變形及破壞規(guī)律有較大的局限性，甚至與實際相差較大。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)場巖體原位實驗及室內(nèi)力學實驗成果，應用數(shù)值模擬方法研究其宏觀巖體的各向異性力學特性，推導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數(shù)值分析，通過與各向同性模型力學分析比較，理解柱狀節(jié)理巖體各向異性力學特性對工程穩(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特性及各向異性力學模型，并將研究成果應用于涉及柱狀節(jié)理各向異性巖石力學特性的大型水電工程實踐。 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，各向同性力學理論對認識其應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)場巖體原位實驗及室內(nèi)力學實驗成果，應用數(shù)值模擬方法研究其宏觀巖體的各向異性力學特性，推導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數(shù)值分析，通過與各向同性模型力學分析比較，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分析提供理論基礎(chǔ)。

節(jié)理巖體的力學響應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)理裂隙分布的隨機性、巖體力學強度參數(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險，對不確定性因素造成的風險越加受到人們的重視。本課題運用隨機力學理論，考慮節(jié)理巖體節(jié)理裂隙分布、巖體力學參數(shù)及外來荷載的隨機性，研究節(jié)理巖體的隨機力學響應問題，并用地質(zhì)代表單元體的力學特性以隨機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因素作用下的失效破壞模式，并對洞室風險的時空響應問題進行探索，進行相應的洞室工程風險分級機制的研究，提出應對風險的措施。并擬開展一定的節(jié)理巖體單元體的塊體模型試驗，并與數(shù)值分析做對比。通過以上關(guān)鍵科學問題的研究，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、支護加固措施的選擇以及風險應對措施的制定提供科學有效的依據(jù)，推動巖石力學隨機分析領(lǐng)域的研究和發(fā)展。