水平层状围岩隧道顶板力学模型与稳定性研究
发布时间：2021-01-01 07:08
水平层状岩体是一种典型的具有层状构造的沉积岩,广泛分布于我国西南、华中以及陕北地区。当隧道穿过水平层状岩体时,极易出现隧道拱部离层、顶板弯折、严重超挖,甚至坍塌等工程事故。本文通过对水平层状岩体破坏机理的研究,建立了不同层间粘结强度隧道顶板的力学模型,并采用离散单元法数值模拟研究了水平层状围岩隧道的稳定性,大致定量地给出了层间粘结强度的判定标准,最后依托某高速公路隧道工程,验证了隧道顶板力学模型和层间粘结强度判定方法的正确性。具体结论如下:（1）按照水平层状岩体层间介质粘结强度的不同,将水平层状围岩隧道顶板力学模型分为弱粘结强度顶板力学模型、中粘结强度顶板力学模型、强粘结强度顶板力学模型三种。并采用岩梁模型计算得到三种不同顶板力学模型关键节点的应力和挠度的计算公式。（2）采用UDEC数值模拟软件进行水平层岩隧道拱顶竖向位移正交试验,得到层间介质力学参数中的六个因素对水平层状围岩隧道竖向位移影响的主次关系为:法向刚度>内摩擦角>切向刚度>粘聚力=抗拉强度>剪胀角。并根据数值模拟的结果,得到随着层间法向刚度和内摩擦角的增大,水平层状围岩隧道拱顶竖向位移逐渐减小。（3...
【文章来源】：西安工业大学陕西省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1层状岩体的形成
1 绪论1 绪 论1.1 研究背景地球表面的岩体大多是由母岩经过风化、剥落、搬运、沉积和成岩作用而形成的沉积岩[1]（如图 1.1 所示）。据统计，这种因沉积作用形成的岩体在陆地上出露的面积约占 75%，主要分布在我国西南、华中以及陕北地区。沉积岩具有典型的层状构造，未受地质作用时一般呈水平状分布（如图 1.2 所示），在地质构造作用下会出现倾斜、直立、甚至翻转。层状岩体在漫长的成岩时期内，由于周围地质环境的剧烈变化，导致各层岩体岩性和力学性质差异显著，突出表现在变形和强度上具有明显的各向异性[2]。
4 水平层状围岩隧道稳定性研究以上 25 组模型对应的层间力学参数为数值模拟中的变量，模型中的其余参数保持一致。隧道的变形最直观的反应就是隧道的位移，故本正交试验方案以关键点隧道拱顶沉降与隧道底部隆起之和作为判别各个变量的依据。最后，将此 25 组数据带入到 UDEC 数值模拟软件中进行计算。4.3.2 数值模拟计算及结果分析采用之前选取的各个参数和层间结构面力学参数正交方案表的层间参数，编辑 fish 语言，在 UDEC 中调用该命令。在模型加载的初始阶段，在应力边界条件和位移边界条件的约束下，模型会自动加载到初始平衡状态，该状态即是岩体的初始应力状态。同时记录最大不平衡应力，并位移清零，消除初始应力对位移产生的影响。然后再调用开挖命令和循环命令，模拟隧道开挖过程中，隧道围岩的变形情况。建立的数值模型轮廓图和初始平衡状态图如图 4.1 和图 4.2 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]层状地基与弹性薄板相互作用的边界元解[J]. 艾智勇,蔡建邦. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(03)
[2]基于弹性地基梁采场坚硬顶板变形与内力的解析计算[J]. 冯强,刘炜炜,伏圣岗,蒋斌松,时林坡. 采矿与安全工程学报. 2017(02)
[3]水平层状围岩隧道爆破控制技术[J]. 邓祥辉,陈建勋,罗彦斌,李旭东. 长安大学学报(自然科学版). 2017(02)
[4]三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究[J]. 姚文敏,胡斌,余海兵,李华舟,和大钊. 工程科学学报. 2017(02)
[5]基于FLAC数值模拟的边坡渗流应力耦合分析[J]. 于振,常来山,潘力,米长宁. 金属矿山. 2016(08)
[6]正交各向异性板裂屈曲岩爆机制与控制对策研究[J]. 冯帆,李夕兵,李地元,王少锋. 岩土工程学报. 2017(07)
[7]综采采场顶板结构模型及“支架-围岩”关系研究[J]. 吴士良,刘思利,佟金婉,王建行,史晨昊,赵吉玉. 山东科技大学学报(自然科学版). 2016(04)
[8]超大断面隧道大倾角层状围岩力学特性研究[J]. 曾毅,周舒威,杨志豪,夏才初. 西部交通科技. 2015(11)
[9]深井巷道层状围岩变形破坏特征及机制研究[J]. 胡善超. 岩石力学与工程学报. 2015(11)
[10]基于离散元的节理岩体水工隧洞地震动力特性分析[J]. 包磊,陈春武,潘昆,罗晓琴,张金,雷进生. 长江科学院院报. 2015(10)
博士论文
[1]层状节理岩体高边坡地震动力破坏机理研究[D]. 李祥龙.中国地质大学 2013
[2]充填开采覆岩移动变形及矿压显现规律研究[D]. 冯锐敏.中国矿业大学（北京） 2013
[3]深埋隧道层状岩体破坏失稳机理实验研究[D]. 夏彬伟.重庆大学 2009
硕士论文
[1]含隧道层状岩质边坡地震动力响应特性研究[D]. 祝中林.中南林业科技大学 2016
[2]层状岩体中拱形巷道拱肩破坏机理及合理支护技术研究[D]. 王恩波.西安科技大学 2014
[3]层状岩体开洞地基稳定性分析[D]. 邵培柳.重庆大学 2014
[4]层状岩体隧道围岩稳定性综合研究[D]. 陈高奎.福州大学 2014
[5]层状岩体隧道围岩稳定性及破坏模式研究[D]. 邵远扬.西南交通大学 2013
[6]汶川地震区崔家油房岩质斜坡的地震响应[D]. 黄磊.中国地质大学 2011
[7]水平岩层地区隧道围岩稳定性研究[D]. 张乐中.长安大学 2006
[8]软硬岩层互层巷道顶板稳定性分析[D]. 黄达.太原理工大学 2004
本文编号：2951157
【文章来源】：西安工业大学陕西省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1层状岩体的形成
1 绪论1 绪 论1.1 研究背景地球表面的岩体大多是由母岩经过风化、剥落、搬运、沉积和成岩作用而形成的沉积岩[1]（如图 1.1 所示）。据统计，这种因沉积作用形成的岩体在陆地上出露的面积约占 75%，主要分布在我国西南、华中以及陕北地区。沉积岩具有典型的层状构造，未受地质作用时一般呈水平状分布（如图 1.2 所示），在地质构造作用下会出现倾斜、直立、甚至翻转。层状岩体在漫长的成岩时期内，由于周围地质环境的剧烈变化，导致各层岩体岩性和力学性质差异显著，突出表现在变形和强度上具有明显的各向异性[2]。
4 水平层状围岩隧道稳定性研究以上 25 组模型对应的层间力学参数为数值模拟中的变量，模型中的其余参数保持一致。隧道的变形最直观的反应就是隧道的位移，故本正交试验方案以关键点隧道拱顶沉降与隧道底部隆起之和作为判别各个变量的依据。最后，将此 25 组数据带入到 UDEC 数值模拟软件中进行计算。4.3.2 数值模拟计算及结果分析采用之前选取的各个参数和层间结构面力学参数正交方案表的层间参数，编辑 fish 语言，在 UDEC 中调用该命令。在模型加载的初始阶段，在应力边界条件和位移边界条件的约束下，模型会自动加载到初始平衡状态，该状态即是岩体的初始应力状态。同时记录最大不平衡应力，并位移清零，消除初始应力对位移产生的影响。然后再调用开挖命令和循环命令，模拟隧道开挖过程中，隧道围岩的变形情况。建立的数值模型轮廓图和初始平衡状态图如图 4.1 和图 4.2 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]层状地基与弹性薄板相互作用的边界元解[J]. 艾智勇,蔡建邦. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(03)
[2]基于弹性地基梁采场坚硬顶板变形与内力的解析计算[J]. 冯强,刘炜炜,伏圣岗,蒋斌松,时林坡. 采矿与安全工程学报. 2017(02)
[3]水平层状围岩隧道爆破控制技术[J]. 邓祥辉,陈建勋,罗彦斌,李旭东. 长安大学学报(自然科学版). 2017(02)
[4]三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究[J]. 姚文敏,胡斌,余海兵,李华舟,和大钊. 工程科学学报. 2017(02)
[5]基于FLAC数值模拟的边坡渗流应力耦合分析[J]. 于振,常来山,潘力,米长宁. 金属矿山. 2016(08)
[6]正交各向异性板裂屈曲岩爆机制与控制对策研究[J]. 冯帆,李夕兵,李地元,王少锋. 岩土工程学报. 2017(07)
[7]综采采场顶板结构模型及“支架-围岩”关系研究[J]. 吴士良,刘思利,佟金婉,王建行,史晨昊,赵吉玉. 山东科技大学学报(自然科学版). 2016(04)
[8]超大断面隧道大倾角层状围岩力学特性研究[J]. 曾毅,周舒威,杨志豪,夏才初. 西部交通科技. 2015(11)
[9]深井巷道层状围岩变形破坏特征及机制研究[J]. 胡善超. 岩石力学与工程学报. 2015(11)
[10]基于离散元的节理岩体水工隧洞地震动力特性分析[J]. 包磊,陈春武,潘昆,罗晓琴,张金,雷进生. 长江科学院院报. 2015(10)
博士论文
[1]层状节理岩体高边坡地震动力破坏机理研究[D]. 李祥龙.中国地质大学 2013
[2]充填开采覆岩移动变形及矿压显现规律研究[D]. 冯锐敏.中国矿业大学（北京） 2013
[3]深埋隧道层状岩体破坏失稳机理实验研究[D]. 夏彬伟.重庆大学 2009
硕士论文
[1]含隧道层状岩质边坡地震动力响应特性研究[D]. 祝中林.中南林业科技大学 2016
[2]层状岩体中拱形巷道拱肩破坏机理及合理支护技术研究[D]. 王恩波.西安科技大学 2014
[3]层状岩体开洞地基稳定性分析[D]. 邵培柳.重庆大学 2014
[4]层状岩体隧道围岩稳定性综合研究[D]. 陈高奎.福州大学 2014
[5]层状岩体隧道围岩稳定性及破坏模式研究[D]. 邵远扬.西南交通大学 2013
[6]汶川地震区崔家油房岩质斜坡的地震响应[D]. 黄磊.中国地质大学 2011
[7]水平岩层地区隧道围岩稳定性研究[D]. 张乐中.长安大学 2006
[8]软硬岩层互层巷道顶板稳定性分析[D]. 黄达.太原理工大学 2004
本文编号：2951157
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