巖石材料各向異性特征及其對隧道圍巖穩(wěn)定性影響研究.pdf

1、各向異性是巖體的一個重要性質(zhì)。層狀巖體中隧道與地下工程圍巖常常表現(xiàn)為橫觀各向同性特征，對圍巖的變形和應(yīng)力分布具有顯著的影響。本文依托湖南省常吉(常德．吉首)高速公路湘西段20座隧道工程，針對隧道圍巖為水平或近水平賦存的區(qū)域性工程地質(zhì)特征，從層狀巖體的各向異性特征出發(fā)，綜合運用現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗、理論分析和數(shù)值模擬等方法，研究了巖石材料的變形和強度各向異性性狀、各向異性破壞準則和彈塑性本構(gòu)關(guān)系及各向異性特征對層狀圍巖隧道變形和穩(wěn)定性的影響

2、。主要研究成果有： (1)通過試驗測得砂巖和頁巖的各向異性彈性參數(shù)及其隨弱面傾角的變化規(guī)律，采用橫觀各向同性彈性理論驗證了測試結(jié)果的正確性。分析了橫觀各向同性砂巖的微觀組構(gòu)特征，揭示了砂巖呈現(xiàn)宏觀各向異性性狀的微觀機理。 總結(jié)了各向異性理論和彈性參數(shù)測試方法，通過室內(nèi)單軸壓縮試驗測定了橫觀各向同性砂巖和頁巖不同方向上的各向異性彈性參數(shù)，分析了其隨各向同性面傾角的變化規(guī)律，采用各向異性理論進行驗證，計算結(jié)果與理論結(jié)果吻合較

3、好，為分析實際工程問題提供了基本力學參數(shù)；通過偏光顯微鏡和X光衍射技術(shù)研究了砂巖微觀組構(gòu)特征，揭示了砂巖材料呈現(xiàn)宏觀各向異性性狀的根本原因和微觀機理。 (2)建立了不同彈性各向異性度情況下巴西圓盤中心應(yīng)力集中因子參數(shù)表和確定橫觀各向同性巖石材料抗拉強度的方法，分析了各向異性對抗拉強度的影響。 通過80個橫觀各向同性巴西圓盤劈裂試驗結(jié)果，研究了巖石材料各向異性特征對抗拉強度的影響，得到了圓盤中心應(yīng)力集中因子隨泊松比、彈性模

4、量之比(E<,1>/E<,2>)及弱面傾角變化的規(guī)律，建立了巴西圓盤中心應(yīng)力集中因子參數(shù)表，提出各向異性巖石材料抗拉強度的計算方法；基于砂巖和頁巖的5個橫觀各向同性彈性參數(shù)，確定了圓盤中心應(yīng)力集中因子；通過室內(nèi)巴西劈裂試驗，測定了砂巖和頁巖不同弱面傾角方向的抗拉強度，分析了各向異性對抗拉強度的影響規(guī)律，并與各向同性假定下抗拉強度計算結(jié)果進行了對比分析。 (3)試驗研究了橫觀各向同性巖石材料抗壓強度的脆性-延性轉(zhuǎn)化特征、傾角效應(yīng)、

5、圍壓效應(yīng)和巖樣的破壞模式，提出了最小抗壓強度值對應(yīng)特征角的分布規(guī)律。 通過MTS-815型剛性試驗機系統(tǒng)對不同傾角的巖石試樣進行單軸和三軸抗壓強度試驗，獲得全程應(yīng)力．應(yīng)變曲線，分析總結(jié)了各向異性特征對單軸和三軸抗壓強度的影響規(guī)律；基于摩爾．庫侖強度準則，分析了各向異性對巖石脆性-延性轉(zhuǎn)化特征的影響，確立了脆延轉(zhuǎn)化強度和轉(zhuǎn)換圍壓與傾角的關(guān)系；通過觀察試樣的破壞發(fā)展過程和最終破壞型式，總結(jié)了圍壓和傾角變化對破壞模式的影響規(guī)律。

6、 (4)基于非連續(xù)型破壞準則的討論，提出了一個修正橫觀各向同性破壞準則，探討了準則中參數(shù)確定方法，通過試驗結(jié)果驗證了修正強度準則正確性。 在系統(tǒng)總結(jié)三類橫觀各向同性破壞準則基礎(chǔ)上，通過對非連續(xù)破壞準則的研究，基于摩爾一庫侖準則、弱面強度理論和最大軸向應(yīng)變理論，提出了一個修正橫觀各向同性破壞準則，通過修正破壞準則獲得的預(yù)測強度與國內(nèi)外試驗結(jié)果的比較分析，驗證了修正準則的正確性。 (5)通過VC++6.0進行二次開發(fā)，編制

7、計算程序，將修正橫觀各向同性破壞準則嵌入FLAC巖土數(shù)值分析軟件，進行了算例分析。 采用匯編語言VC++6.0編制了子程序模塊，將修正橫觀各向同性破壞準則嵌入FLAC數(shù)值分析軟件中，詳細介紹了本構(gòu)模型的開發(fā)流程，通過算例分析了水平層狀圍巖隧道開挖的穩(wěn)定性，實現(xiàn)其在巖體工程分析中的應(yīng)用。 (6)依托常吉高速公路隧道工程，開展了層狀圍巖隧道施工監(jiān)控量測和錨噴支護參數(shù)優(yōu)化的現(xiàn)場試驗研究，分析了成層各向異性對隧道圍巖壓力與變形規(guī)