隧道围岩抗力系数计算方法与统计特征研究

发布时间：2020-08-11 23:16

【摘要】：随着我国铁路、公路和城市地铁隧道的日益发展,如何正确评价围岩与支护结构之间的相互作用,成为影响隧道施工安全与建设成本的重要课题之一。围岩抗力系数是衡量围岩限制支护结构变形的一个重要参数,体现了围岩分承荷载的能力,对衬砌内力和变形的计算有重要影响。目前围岩抗力系数的研究成果主要集中于均质岩体中的弹塑性分析,并未考虑岩石的脆性性质和岩体中节理导致的各向异性问题。岩石的脆性破坏、节理导致的各向异性均会对围岩抗力系数产生显著影响,抗力系数的取值具有不确定性。在隧道的可靠度设计中,围岩抗力系数的统计特征是一个必不可少的基础参数。因此,围绕围岩抗力系数进行弹脆塑性分析、各向异性分析和统计特征分析是隧道设计中一个重要且迫切的课题。依托国家自然科学基金,本文针对岩体中围岩抗力系数的计算方法与统计特征展开研究。系统全面地对弹脆塑性均质岩体、正交各向异性层状岩体、共轭节理岩体和裂隙岩体中的围岩抗力系数计算方法与统计特征进行了分析。基于大量现场实测数据的统计,采用Kolmogorov-Smirnov检验对实测围岩抗力系数的统计特征进行研究。结合BQ岩体分级探讨了围岩抗力系数的优化计算方法,并分析了不同岩体基本质量定性特征下的围岩抗力系数取值。论文取得以下主要研究成果。(1)基于非线性统一强度理论,借助最大剪应力模数,推导出均质岩体中围岩抗力系数的弹脆塑性解析解。模型能综合考虑中间主应力、剪胀特性、脆塑性、塑性区参量、泊松比和GSI的影响。由参数分析可知,中间主应力、剪胀特性和脆塑性对围岩抗力系数有显著影响,围岩抗力系数随GSI、塑性区弹性应变和塑性区杨氏模量的增大而增大。不同的屈服准则对岩体塑性区出现的时间有显著影响,Mohr-Coulomb和Hoek-Brown强度准则,以及两者之间的一系列非线性强度准则,相比于其他强度准则更加适用于描述围岩抗力系数和岩体的自承载能力,最后运用本模型对锦屏Ⅱ级水电站深埋引水隧道衬砌的受力进行了分析。(2)根据正交各向异性材料力学理论,采用应力变分法原理,推导出层状岩体在二向不等压地应力下围岩抗力系数的计算公式。实例计算表明,不同侧压力系数下围岩抗力系数曲线呈现出明显的各向异性和对称性,最大值出现在π/4方向上,受材料剪切模量的影响较大。随着正交各向异性材料某一方向弹性模量的增大,该方向上围岩抗力系数随之增大,垂直于该方向上的围岩抗力系数几乎不变。(3)针对共轭节理岩体中抗力系数的各向异性分布特征与计算,以大连地铁2号线兴工街站隧道工程为背景,采用正交试验和离散元数值模拟,建立了可以考虑10个影响因素(岩石弹性模量、泊松比、节理间距、节理倾角、节理法向刚度等)的81个计算模型,模拟了径向液压枕法测围岩抗力系数。由方差分析可知,5%水平下的显著性影响因素依次为节理法向刚度、岩石弹性模量、节理间距与节理倾角,岩石泊松比对围岩抗力系数有一定影响,其他因素无显著影响。(4)共轭节理岩体中围岩抗力系数的分布曲线呈椭圆形,沿两组节理夹角角平分线方向围岩抗力系数最大,为椭圆的长轴。各向异性系数随洞径与节理间距比值的增大呈现出先增大后减小的规律,当比值趋近于零或无穷大时,各向异性系数收敛于1。基于以上研究建立了共辄节理岩体中围岩抗力系数的理论计算模型,并推导出了计算表达式。(5)针对裂隙岩体中围岩抗力系数的计算,采用Monte-Carlo法和Matlab编程相结合,生成了能直接用于UDEC计算的结构面网络模型,通过正交试验建立了能考虑岩石弹性模量、泊松比、节理密度、节理倾角和节理迹长等因素影响的81个计算模型,得到了裂隙岩体中围岩抗力系数的计算公式。公式能较好地反映各因素对围岩抗力系数的影响和抗力系数的各向异性分布特征。(6)针对均质岩体、层状岩体、共轭节理岩体和裂隙岩体中围岩抗力系数的统计特征,采用Monte-Carlo法进行105抽样,得到围岩抗力系数的分布类型和统计特征(均值、方差、变异系数、偏度、峰度等)。层状岩体、共轭节理岩体和裂隙岩体中抗力系数的统计参量均表现出明显的各向异性。通过搜集大量围岩抗力系数的现场实测数据,利用统计软件SPSS对样本数据进行Kolmogorov-Smimov检验,得到实测围岩抗力系数服从对数正态分布,并进一步获得了分布函数、密度函数、均值和方差。(7)基于BQ围岩分级和Gallerkin模型构造出了能考虑岩石单轴抗压强度、岩体完整程度和各向异性的围岩抗力系数优化计算公式,通过与《铁路隧道设计规范》中给出的建议值进行比较,验证了公式的准确性。最后结合岩石单轴抗压强度和岩体完整程度两个围岩分级指标,给出了不同岩体基本质量定性特征下围岩抗力系数的建议取值。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U451.2
【图文】：

模型图,双剪力,模型

逡逑介绍非线性统一强度理论之前，先介绍统一强度理论中的双剪力学模型，如逡逑图２－１所示，将复杂应力的几个常用变量从主应力转化为主剪应力，依据３个主剪逡逑应力中存在２个独立变量的原则，构建了包含两个新的单元体模型。逡逑图２－１双剪力学模型逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｔｈｅ邋ｔｗｉｎ－ｓｈｅａｒ邋ｍｏｄｅｌｓ逡逑用２个数学方程来描述这２个双剪力学模型，用这种数学建模的方法能很好逡逑地解决如何判断中间主剪应力大小的问题，采用室内岩石实验的方法确定方程中逡逑的常数，便得到了强度理论的数学表达式。逡逑由于岩石的脆性破坏主要以剪切、劈裂和拉裂破坏为主，破裂角的大小主要逡逑受应力＜７２和ＣＴ３的影响。在图２－１的模型中截取出一个有代表性的单元体，使其包逡逑含和＜７３，如图２－２所不。逡逑２６逡逑

双剪力,统一强度理论,岩石材料,线性组合

图２－２双剪力学模型的代表单元逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ邋ｕｎｉｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｔｗｉｎ－ｓｈｅａｒ邋ｍｏｄｅｌｓ逡逑可以得到图２－２中等的两个数学方程为：逡逑Ｆ邋＝逦Ｆ，逦（２－７６）逡逑Ｆ，＝逦＞邋Ｆ逦（２－７７）逡逑岩石材料发生屈服破坏时应力状态的具体数学表达式是上述两个函数中各个逡逑因变量的线性或者非线性组合，采用线性组合得到的便是统一强度理论，采用非逡逑线性组合得到的便是非线性统一强度理论，下面介绍非线性统一强度理论。逡逑２．２．１非线性统一强度理论的数学表达式逡逑基于图２－２中的双剪力学模型的代表单元，引入能反映中间主应力效应的参数逡逑办，用以下数学表达式描述岩石材料破坏时单元体内各应力之间的非线性关系。逡逑／邋Ｌ逦，逡逑Ｆ＾Ｔｕ邋＋邋ｂＴｎ＋邋Ａ邋２逦３＋Ｃ逦＝邋０

曲线,围岩特征,隧道,围岩

的长大隧道都可以看作二向等压的平面应变问题。逡逑考虑引水隧道的收缩和扩张整个过程，围岩和支护之间的相互作用曲线如下逡逑图２－４所示。隧道开挖前，洞壁上的应力成为初始虚拟支护力（内加），等于围岩的逡逑初始应力（列）。隧道开挖后，荷载由围岩和支护结构共同承担，在最终平衡阶段，逡逑总荷载等于最终的支护应力（／？ｓ，ｆｍ）和围岩的最终虚拟支护力（Ｐｆ，ｆｉｎ）之和，由此逡逑可得围岩所承担的荷载为／７ｆ，ｆｍ＝Ｐｆ，ｉｎｉ－ｐｓ，ｆｍ。逡逑Ｐ0逡逑小逦＼｜／邋＼｜／邋１邋＼｜／邋＼｜／逡逑ｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ邋ｓｕｐｐｏｒｔ逡逑ｐｒｅｓｓｕｒｅ逡逑逦逦ｐｅ

【参考文献】