考虑峰后特性的隧道围岩锚杆支护力学机制

发布时间：2017-07-28 19:12

  本文关键词：考虑峰后特性的隧道围岩锚杆支护力学机制

  更多相关文章： 隧道工程 应变软化 软岩扩容 锚杆支护 塑性剪切应变

【摘要】：随着国民经济的不断发展,深部地下工程的开发利用已成为发展趋势,尤其是在隧道工程,采矿工程,水电国防等工程领域。深部岩体工程处于复杂的,高应力地质环境中,岩体节理普遍存在,在高地应力扰动下表现出与浅埋岩体不同的力学响应,岩体表现出峰后应变软化特性和扩容特性。峰后围岩给深部开采工程中的隧道围岩支护带来一系列棘手问题,因此,深入研究深部岩体峰后特征和变形破坏机理,对于深部工程围岩的开挖支护及安全稳定性具有重要的指导意义。本文围绕处于峰后状态的隧道围岩在全长粘结锚杆支护下的力学机制进行研究。峰后状态围岩选用应变软化模型,分别通过理论计算、数值模拟,室内试验模型研究锚杆支护对围岩应力、位移及破坏区范围的影响。主要研究内容如下:首先,基于锚杆粘结抗滑移变形支护抗力产生原理,导得锚杆轴向应力及抗剪强度方程。将全长粘结锚杆通过岩石 锚固面对围岩提供的支护力等效为围岩单元径向体积力,并考虑锚杆对围岩力学性能的改变,建立了考虑锚杆支护效应的微元体平衡方程;将该平衡方程分别与考虑峰后体积扩容及软化特征的残余带、软化带塑性相容方程联合,推出了隧道峰后围岩残余区、软化区在注浆锚杆支护下位移、应力及范围的计算公式。基于理论研究的实例分析,进一步揭示了注浆锚杆与围岩内部锚固效应,锚杆端部预紧力对峰后围岩软化、扩容性质的改善作用和对围岩各区范围发展及隧道周边变形的控制作用。其次,通过数值模拟研究了锚杆支护对峰后围岩的支护效应。基于Mohr-Coulomb峰后应变软化的遍布节理模型,建立了临界塑性剪切应变η*与支护阻力的耦合关系;根据锚杆加固机理,将锚固作用后围岩的力学参数嵌入到应变软化模型中;将临界塑性软化系数η*影响下的应变软化模型嵌入有限差分FLAC3D中,并通过对锚杆支护下的围岩震荡应力场等分析,研究不同锚杆支护长度对深部洞室围岩分层破裂范围及应力、变形的影响。数值研究分析表明:考虑锚杆支护,围岩分层破裂化现象明显减弱;支护条件下的围岩应力场、位移及破裂区范围与未支护时差异明显。最后,根据相似理论,进行材料配比试验,构建考虑锚杆支护的室内相似模型,监测洞室开挖后拱顶、拱腰围岩应力、应变和位移变化规律,将考虑锚杆支护的隧道模型与毛洞进行对比,进一步验证锚杆的支护效应。
【关键词】：隧道工程 应变软化 软岩扩容 锚杆支护 塑性剪切应变
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.7
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.2 地下洞室围岩应变软化与塑性扩容研究现状13-16
• 1.2.1 理论解析方面14-15
• 1.2.2 数值模拟方面15
• 1.2.3 试验研究方面15-16
• 1.3 锚杆支护理论及国内外研究现状16-17
• 1.4 本文研究内容及方法17-19
• 第2章 深部围岩应变软化模型及锚杆支护理论19-35
• 2.1 围岩应力和位移的弹塑性分析19-25
• 2.1.1 Mohr-Coulomb强度准则19-20
• 2.1.2 围岩的塑性判据20-21
• 2.1.3 围岩应力的弹塑性分析21-24
• 2.1.4 围岩位移的弹塑性分析24-25
• 2.2 基于连续介质理论的岩体应变软化模型25-28
• 2.2.1 岩体峰后应变软化行为25-27
• 2.2.2 Mohr-Coulomb应变软化模型27-28
• 2.3 深部节理围岩扩容特性28-30
• 2.4 锚杆支护理论30-31
• 2.5 软岩隧道围岩分区及支护荷载的确定31-33
• 2.6 三维有限差分软件介绍33-35
• 第3章 基于峰后特征的隧道围岩锚杆支护力学研究35-51
• 3.1 概述35
• 3.2 基本假设和力学模型35-42
• 3.2.1 基本力学模型35-36
• 3.2.2 围岩弹塑性软化与残余模型36-38
• 3.2.3 围岩弹塑性扩容模型38-39
• 3.2.4 锚杆力学分析39-42
• 3.3 隧洞围岩弹塑性分析42-46
• 3.3.1 洞室围岩应力、位移的分析42-45
• 3.3.2 塑性软化区和残余区范围45-46
• 3.4 计算与讨论46-50
• 3.4.1 软化特性对围岩塑性区应力与范围影响47-48
• 3.4.2 支护特性对围岩塑性区应力与范围影响48-49
• 3.4.3 扩容特性与支护阻力对围岩塑性区位移影响49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 考虑锚杆支护的深部围岩分层破裂数值模拟51-67
• 4.1 概述51-53
• 4.2 基本理论与计算模型53-57
• 4.2.1 Mohr-Coulomb峰后应变软化模型53-54
• 4.2.2 变化围压下临界塑性软化系数54-57
• 4.2.3 锚杆支护作用机理57
• 4.3 数值模拟及计算方案57-58
• 4.4 数值模拟结果及机制分析58-66
• 4.4.1 围岩应变软化分层破裂现象58-59
• 4.4.2 洞室围岩在不同长度锚杆支护下应力场特征59-62
• 4.4.3 洞室围岩在不同长度锚杆支护下破裂区范围特征62-63
• 4.4.4 洞室围岩在不同长度锚杆支护下位移场特征63-65
• 4.4.5 应变软化条件下锚杆结构受力特征65-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第5章 深埋隧道锚杆支护模型试验研究67-80
• 5.1 概述67
• 5.2 模型试验的研究目的与研究内容67-69
• 5.2.1 模型试验研究目的67
• 5.2.2 模型试验研究内容67-68
• 5.2.3 模型试验尺寸及材料配比68-69
• 5.3 深埋洞室室内模型试验设计69-77
• 5.3.1 模型相似材料的选择及力学参数测试69-72
• 5.3.2 隧道模型的制作过程72-77
• 5.4 试验结果及数据对比分析77-78
• 5.4.1 不同工况下围岩变形量对比77-78
• 5.4.2 毛洞与锚杆支护模型试验结果应力对比78
• 5.5 本章小结78-80
• 结语80-83
• 参考文献83-88
• 致谢88-89
• 附录A (攻读学位期间所发表的学术论文及科研情况)89

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张召千;锚杆支护动态设计方法——信息法[J];太原理工大学学报;2003年01期

2 张茂岐;浅谈高强度锚杆支护[J];山西建筑;2005年10期

3 武均;;锚杆支护的现状与发展趋势[J];山西建筑;2009年12期

4 王志杰;陈梅芳;;锚杆支护原理的另类解释[J];隧道建设;2011年S1期

5 蒋剑蓬;;隧道锚杆支护机理及关键问题探讨[J];中国新技术新产品;2012年09期

6 黄薇;;锚杆支护在重庆市某公园边坡治理工程中的应用[J];山西建筑;2013年12期

7 ;永久性锚杆支护的试验设计和施工[J];铁路标准设计通讯;1966年04期

8 李锡润,林韵梅,郑雨天;锚杆支护机理的探讨[J];东北工学院学报;1981年04期

9 朱浮声,李锡润,王泳嘉;锚杆支护的数值模拟方法[J];东北工学院学报;1989年01期

10 刘波;;浅议地勘坑道锚杆支护的应用[J];云南地质;1992年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 蒋树屏;;隧道围岩中系统锚杆支护效果的研究[A];岩石力学在工程中的应用——第二次全国岩石力学与工程学术会议论文集[C];1989年

2 胡林;;综掘锚杆支护装备的现状与发展趋势[A];煤矿安全、高效、洁净开采——机电一体化新技术学术会议论文集[C];2009年

3 桂祥友;马云东;郁钟铭;;锚杆支护可靠性动态设计计算机系统与应用研究[A];贵州省岩石力学与工程学会2010年学术年会论文集[C];2010年

4 司林坡;;对锚杆支护中一些问题的探讨[A];采矿工程学新论——北京开采所研究生论文集[C];2005年

5 王联合;侯俊锋;;黄陵一号煤矿锚杆支护施工监测方案设计[A];西部矿山建设工程理论与实践[C];2009年

6 张玉君;段升金;张振海;;锚杆支护失效原因分析及防范措施[A];第六届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集[C];2011年

7 王万冬;;大力推广锚杆支护 促进煤矿安全生产[A];2003年中国科学技术协会学术年会、“安全健康：全面建设小康社会”专题交流会、全国第三次安全科学技术学术交流大会论文集[C];2003年

8 顾金才;沈俊;;锚杆支护洞室受力反应与破坏形态比例模型试验研究[A];水电与矿业工程中的岩石力学问题——中国北方岩石力学与工程应用学术会议文集[C];1991年

9 林健;康红普;;煤矿锚杆支护构件精细化研究方向和趋势[A];中国软岩工程与深部灾害控制研究进展——第四届深部岩体力学与工程灾害控制学术研讨会暨中国矿业大学（北京）百年校庆学术会议论文集[C];2009年

10 刘永禄;高明涛;;千米深井煤巷桁架与锚杆支护效果的数值模拟研究[A];2010全国采矿科学技术高峰论坛论文集[C];2010年

中国重要报纸全文数据库 前8条

1 张永亮;淮北矿业集团海孜矿锚杆支护节支二千余万[N];中国矿业报;2003年

2 崔大汉邋薛建宏;煤科院专家解读“锚杆支护”[N];经理日报;2007年

3 张瑛;秦斌青：生命的升华[N];山西科技报;2000年

4 李宛玲 郭雪飞;王庄矿一项技术节支2.45亿元[N];山西经济日报;2004年

5 梁勇;祁东矿锚杆支护达100% 彻底取消架棚支护[N];经理日报;2007年

6 梁勇;祁东矿：推广锚杆支护 取替架棚支护[N];经理日报;2007年

7 刘循;采矿工程学科领域获新突破[N];科技日报;2005年

8 刘俊恒 本报记者 张富江;太行脊梁[N];中国煤炭报;2006年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 黄靖龙;新型机械式可回收端锚杆支护机理及应用研究[D];中国矿业大学;2009年

2 周纪军;爆炸动载对近区锚杆支护结构影响的试验研究[D];中国矿业大学（北京）;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 李国平;下沟矿二次动压巷道高预应力支护技术研究[D];西安科技大学;2015年

2 肖旺;考虑峰后特性的隧道围岩锚杆支护力学机制[D];湖南大学;2016年

3 刘东才;铁法局锚杆支护力学研究与实践[D];辽宁工程技术大学;2001年

4 陆雪峰;锚杆支护作业平台的设计与仿真研究[D];山东科技大学;2011年

5 张福祥;回采巷道锚杆支护监测技术研究[D];辽宁工程技术大学;2002年

6 陈东印;地下工程预应力锚杆支护数值模拟分析[D];山东科技大学;2005年

7 娄培杰;煤巷围岩稳定性分类及锚杆支护辅助设计系统研究[D];山东科技大学;2008年

8 孙倩;矿用锚杆支护静态电阻应变仪的研究[D];辽宁工程技术大学;2011年

9 邹常富;大冶铁矿玻璃钢锚杆支护的应用研究[D];武汉科技大学;2012年

10 李红英;超载顺序和软土夹层对锚杆支护结构性能的影响[D];湘潭大学;2009年

，

本文编号：585591