高埋深输水隧洞蠕变力学行为及岩爆机理研究

发布时间：2018-04-30 13:38

本文选题：深埋隧洞 + 蠕变力学行为　；参考：《天津大学》2014年硕士论文

【摘要】：某输水隧洞埋深大、洞线长、隧洞沿线工程地质条件复杂多变,设计和施工难度较大。该工程的粉砂质泥岩段为全线埋深最大的洞段,整体埋深在1650m~2320m范围内,地应力水平高,面临突出的岩爆问题。此外,高地应力赋存环境下岩石的力学行为与常规条件下有较大区别,室内试验表明粉砂质泥岩在高应力下会表现出较为明显的流变效应。长期流变下支护结构的安全性和围岩的长期稳定性不易得到保证,需开展专门研究。本文即针对该洞段的两个突出问题——岩石的蠕变力学行为及岩爆问题展开研究,所做的主要工作及主要成果如下:(1)建立了符合工程区粉砂质泥岩蠕变特性的非线性蠕变模型。通过研究见诸文献的15种常见流变力学模型的流变特性并与依托工程粉砂质泥岩室内蠕变试验曲线进行比对分析,最终采用改进伯格斯(Burgers)模型建立了粉砂质泥岩的非线性蠕变模型;基于Origin的自定义函数拟合功能将改进伯格斯模型的蠕变方程嵌入到Origin的函数库中并采用Levenberg-Marquardt(L-M)算法成功识别出模型的流变参数。(2)基于ABAQUS的二次开发平台,利用Fortran语言编写了改进伯格斯模型的用户材料子程序。详细推导了改进伯格斯(Burgers)模型的蠕变求解公式,并给出了该模型的程序开发框图,进而基于ABAQUS的二次开发平台采用Fortran语言成功编写了改进Burgers模型的UMAT子程序;利用所开发的用户材料子程序对室内单轴/三轴试验进行了数值模拟研究,数值模拟结果与试验数据基本吻合,证明了程序开发的正确性和有效性。(3)在充分考虑岩体流变效应的基础上,确定了依托工程粉砂质泥岩段的合适支护时机,建议隧洞在开挖150天左右时施做二次支护。基于所开发的子程序分析了无支护条件下粉砂质泥岩洞段的蠕变过程,发现对于1700m、2000m和2320m埋深的洞段,隧洞开挖后围岩的初始变形分别占最终稳定变形的40.4%、46.0%和51.19%,且粉砂质泥岩的流变变形主要发生在前6个月。此外,对比研究了二次支护不同支护时机下(隧洞开挖后90天、120天及150天)隧洞的变形、塑性变形及管片结构受力的变化规律,并建议二次支护在隧洞开挖150天左右时施做。(4)采用多种“应力强度比\强度应力比”岩爆判据综合评定了依托工程粉砂质泥岩洞段的岩爆可能性和岩爆等级。综合采用规范法、Russense系数法、谷-陶判据等多个判据对粉砂质泥岩段的岩爆可能性进行了分析,各个判据的结果均表明:粉砂质泥岩洞段具有发生强烈岩爆的可能性,可能会伴有严重片帮等严重的围岩破坏现象;(5)以加拿大地下试验室Mine-by试验隧道花岗岩的脆性破坏为例,对比研究了5种岩石本构模型对围岩脆性破坏范围的预测效果,揭示了围岩的脆性破坏机理并据此对依托工程粉砂质泥岩段的围岩破坏范围进行了模拟。采用弹性模型、理想弹塑性、CWFS模型、CSFH模型及基于Hoek-Brown模型的m-0准则对加拿大地下实验室Mine-by试验隧道的围岩破坏情形进行了数值模拟研究,发现可以考虑围岩破损过程中材料力学性能劣化的CWFS模型、CSFH模型及m-0准则可较好地模拟硬岩的脆性破坏范围。其中CWFS模型的模拟结果及其对硬岩脆性破坏机理的描述与实际情况最为相符。最后,采用CWFS模型及m-0准则对依托工程粉砂质泥岩段的围岩破坏范围进行了数值模拟研究。
[Abstract]:This paper studies the creep mechanics behavior and rock burst problem of silty mudstone under high stress . The results of this paper are as follows : ( 1 ) To establish a nonlinear creep model to improve the creep property of silty mudstone under high stress . ( 4 ) The rock burst possibility and the rock burst level of the silty mudstone are evaluated synthetically by using multiple criteria such as stress intensity ratio and strength stress ratio . The results of each criterion show that the CWFS model , the CSFH model and the m - 0 criterion which are based on the Hoek - Brown model can simulate the brittle failure range of the hard rock . The CWFS model and the m - 0 criterion are used to simulate the rock failure range of the foundation engineering silty mudstone . Finally , the CWFS model and the m - 0 criterion are used to simulate the surrounding rock failure range of the silty mudstone section of Canada .

【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV554

【参考文献】