吉林中部供水隧道围岩级别与岩石弹性抗力系数相关性研究
第一章 绪论
吉林中部供水隧洞是国内两个最长有压隧洞之一，线路长，投资大。隧洞围岩岩体质量分级和岩体物理力学设计参数的选取对工程的影响非常大，尤其是围岩弹性抗力系数的选取对衬砌的设计具有至关重要的指导作用。这是因为隧洞衬砌在受到径向压力后，围岩由于衬砌的变形挤压产生抵抗挤压的反力，该反力反过来挤压衬砌，为便于衬砌的优化设计，就需要对衬砌和围岩间的这种作用力进行充分考虑，它可以表征围岩与衬砌联合工作时，围岩对荷载的分承能力，对围岩和衬砌间这种抗力的大小的计算，可采用局部变形理论，其中一个关键数值就是岩体弹性抗力系数。
岩体弹性抗力系数确定最直接的方法就是现场试验，但岩体变形试验和岩体弹性抗力试验耗费时间周期长，费用高，不可能大范围进行。长江科学院在 1、2 号试验平硐，进行了现场岩体力学试验，为输水总干线隧洞围岩稳定性及衬砌支护结构设计提供了关键的岩体变形模量和岩体单位弹力抗力系数等物理力学参数，但总干线 110 多公里长的隧洞，仅依据 2 个试验平硐的现场试验参数是不能完全满足总干线全线隧洞的设计要求。由于现场试验资料不足，致使隧洞围岩变形参数的确定非常困难。为了工程安全，偏于安全的选取参数值是万全之策，但会对工程投资造成巨大浪费，那样作也制约了行业技术力量的发展。尤其 TBM 掘进开挖对围岩的扰动较小，偏于安全的选取参数值已经不适合当前技术水平的发展要求。因此，非常有必要通过理论计算和试验研究，得到确定弹性抗力系数的一种方便、快捷、实用的估值方法，不仅方便该工程后续洞段围岩弹性抗力系数的快速估算，甚至可以为其他同类工程中快速估算岩体弹性抗力系数提供参考亦或提供一种研究方法，这将大大节约工程投资，节省人力物力，缩短工期。本文就是以此为出发点开展的相关研究工作。
......
众所周知，对围岩弹性抗力系数确定最直接的方法就是进行现场试验，但是现场试验由于受到试验条件及资金等诸多条件限制，目前国内进行过现场试验的工程并不多，在这一方面的取得的研究成果并不多[1]。长江科学院最早于 1962-1964 年在三峡工程坝址选择阶段进行了径向液压枕法试验，上世纪 80 年代国内的几大科研院所在隔河岩、龚咀、鲁布格、映秀湾等水利工程进行了刚性长条荷载板法和径向液压枕法试验[2]，探索简便的试验方法，并将刚性长条荷载板法正式编入利水电工程岩石试验规范[3]。理论计算方面，学者对围岩抗力系数进行的研究一般都是基于局部变形理论，即 Winkler 模型，在此模型的基础上依据弹性理论和弹塑性理论推导出围岩抗力系数解析表达式。1929 年，苏联科学院院士加廖尔金[4]提出了岩石抗力系数K 的计算公式，此后我国著名力学专家钱令希[5](1955 年)、叶金汉[6](1962 年)、扎利耶夫、陶振宇[7](1976 年)也导出了各种理论模型下的围岩抗力系数计算公式。
吕有年[8]（1981 年）对加廖尔金公式、叶金汉公式进行了研究，推导了径向裂隙发育而横向裂隙不发育情况下的围岩抗力计算公式。还提出了在加廖尔金公式的推导过程中忽略了弹性模量随着径向荷载的变化而变化的情况，但是并没有就此做进一步的研究。然后运用弹性理论和塑性理论推导出围岩抗力系数的计算公式，该公式和前人推导的公式具有通用性。蔡晓鸿[9-15]（1988 年）总结了前人研究成果，分别考虑了岩石进入塑性后可能出现的线性强化和折线软化应力应变状态，推导了塑性软化理论、塑性强化理论下的围岩抗力系数 K 的计算公式，并探讨了新推公式与前人理论公式的相通性。除此之外还推导了广泛应用于岩土工程的莫尔-库仑屈服条件下的围岩抗力系数计算公式。徐栓强、俞茂宏、胡小荣[16][17](2004 年) 运用统一强度理论，针对前人在围岩抗力系数研究过程中未考虑围岩的中间主应力效应的问题，推出新的承受均布内压力圆形隧道围岩抗力系数公式。这一公式既涵盖了前人的研究成果，而且初步探讨了中间主应力效应对围岩抗力系数的的影响。张黎明、王在泉、贺俊征等[18]（2007 年）将围岩划分为松动区、弹性区、塑性区，采用全量理论得到复杂应力状态下岩体等效应力和等效应变的关系。对均匀内压力作用下的压力隧洞进行弹塑性分析 ，得出围岩抗力系数在不同工况下的计算公式。
......
第二章 工程概况及物理力学性质试验
2.1.1 工程简介
输水干线总体走向为北东向南西，东南地势较高。沿线植被发育，山势连绵起伏，山体呈北东走向。地貌单元按形态可划分为中低山丘陵、波状台地及河流漫滩阶地。线路饮马河以东以中低山丘陵为主，饮马河及双阳河一带以波状台地为主，过金大山后线路又以低山丘陵为主。
输水干线区域各类基岩均为经历多次岩浆活动、构造运动和变质作用形成，区内构造裂隙和褶皱断裂极其发育，地层岩性较为复杂。隧洞区主要岩性有花岗岩、砂岩、泥岩、凝灰岩、砂砾岩等[43-44]。第四系主要分布在河谷，由新至老为全新统人工堆积、第四系全新统坡洪积堆积和第四系中更新统冲洪积堆积。河谷地层一般上部由粘土、壤土等组成，土体结构松散，层理发育，含水量较高;下部则由砂砾石和黄褐色砂组成，二元结构较为明显。
......
2.2.1 岩石（体）声波测试
（1）概念及仪器介绍
声波发射系统包括发射机和发射换能器。试验时，发射机发射一电脉冲信号至发射换能器，致使发射换能器中晶片产生振动，振动产生的声波(弹性波)在岩体中传播时，岩体或岩块岩性的不同、风化程度的不同、结构面构造及充填情况的不同都会对弹性波的振幅频率、传播速度等产生影响。一般来说，岩体风化程度越低，越坚硬完整，岩体的波速越高，反之越小[45]。声波自发射换能器发出，经过接收换能器接收并将声振动转化为电信号，再经放大就可以将波形显示到显示器。通过测出声波传播的时间和传播距离就可以求出声波波速。
岩石的点荷载试验装置由两个球端圆台加荷装置和外部加压油泵组成，将岩块放在对点装置中，通过油泵加压，作用于对点装置，进而作用于岩块，持续加力直至岩块破坏。岩块的破坏形态为张拉作用下的劈裂破坏。所以可以根据点荷载试验结果测得的点荷载强度值换算岩石的抗拉强度值，后来也根据经验关系换算岩石的抗压强度。岩石的点荷载强度指数可以采用点荷载强度试验仪(图 2.2.4)测得，点荷载强度试验仪有着操作简单，携带方便等优点。点荷载仪一般由一对球端加荷装置、加压油泵，传感器等荷载测量系统组成。点荷载试验测试中试样选取时既可采用规则的试件，也可以采用不规则的试件，这就极大的方便了野外试验的进行，降低了试件制作成本，尤其对于风化严重或者软弱破碎岩体的试验优越性更加明显。现场试验见图 2.2.5。
许多国内外的学者对点荷载试验的研究结果表明：点荷载试验中岩块的破坏是一种张裂破坏机制，其破坏的直接原因是岩块在受到对点荷载加压后，在受力作用线上产生的拉应力迫使岩块开裂破坏，这一研究结果与弹性球体在点荷载作用下应力状态的数学分析得到的结果基本一致。而且通过研究发现，不管岩体试样是否规则，其受力作用线上的应力状态是基本一致的，这在理论上为点荷载试验可以采用不规则试件提供了支撑。
......
3.1 围岩主要分类方法及国内工程运用情况.....................28
3.1.1 现行围岩主要分类方法..................................28
第四章 围岩抗力系数理论模型...............................39
4.1 概述...................................................39
4.2 弹性模型................................................39
第五章 围岩级别与岩石弹性抗力系数相关性建立.................64
5.1 弹性抗力系数经验估算法.................................64
5.1.1 岩体变形模量的确定...................................64
第五章 围岩级别与岩石弹性抗力系数相关性建立
通常用岩体弹性抗力系数 K 来表征围岩的弹性抗力的大小，岩体弹性抗力系数的确定方法有：1）直接试验方法；2）经验方法估算，根据现场测定岩体变形模量，通过变形模量换算计算抗力系数；3）理论计算。常用理论模型已经在第四章中介绍。本章分别通过经验估算法和理论计算对吉林中部供水隧洞围岩弹性抗力系数进行计算，并建立与围岩质量指标[BQ]值的相关性。
5.1.1 岩体变形模量的确定
根据第四章及 5.1 弹性抗力系数的研究结果，选取Ⅱ级围岩样本 12 组，Ⅲ级围岩样本 13 组，Ⅳ级围岩样本 8 组，Ⅴ级围岩样本 6 组，分别通过经验估值法和理论模型对围岩单位抗力系数进行计算，理论计算分别采用裂隙弹性模型、理想弹性体模型和塑性理论线性强化模型计算。地应力根据相关报告[67]取 10Mpa。抗拉强度根据相关文献研究成果取为单轴抗压强度十分之一[68]。根据地下工程的特点，静力测试下的变形参数更能体现地下岩体在受荷后的变形状况，所以声波测试所得动弹性模量须转化为静力测试静弹性模量，关于动弹性模量和静弹性模量关系的研究，国内有大量的文献研究成果，林英松[41]的动静弹模试验研究成果试验样本较多，涵盖岩性较多，所以选用林英松的动静弹模相关关系（式 5-12）将本工程声波测试所得动弹性模量转化为静弹性模量，并进一步求得单位弹性抗力系数理论计算值。
......
第六章 结论与展望
目前，对于围岩弹性抗力系数的选取，一般都是根据相关工程的规范和规程提供的经验值选取，但是不足之处一是规范给出的是普遍意义下的经验值，而针对每个工程又有着各自的独特性，所以这就给弹性抗力系数的选取带来不小的误差，一般的选取都是极其保守的，这样就大大提高了工程造价；二是即使工程具有普遍性，适用于规范中的提供的单位弹性抗力系数，但是规范中数据是根据不同围岩级别给出了一个取值范围，该取值范围区间较大，在设计选取时还是带来一定的困难。
（1）室内岩石物理力学试验、现场声波测试等研究成果，得到了关键的岩体波速值和点荷载强度值，参照最新规范《工程岩体分级标准》（GB50218-2014）对输水总干线隧洞进行围岩分级，并得到修正后的围岩 BQ 值。
（2）整理归纳前人对诸如弹性模型、裂隙弹性体模型的围岩弹性抗力系数理论计算表达式，并在参考前人研究方法的基础上推导了基于 Mises 屈服准则，考虑地应力影响下的理想弹塑性模型和塑性理论线性强化模型的围岩抗力系数的解析计算表达式。
......
参考文献（略）
本文编号：198710
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/198710.html
