深埋大跨度地下工程穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，大跨度地下工程在水利水電、交通、能源儲(chǔ)備、軍事等行業(yè)中不斷得到應(yīng)用，目前我國最大跨度地下工程已經(jīng)突破五十米。我國是大跨度地下工程建設(shè)的大國，但大跨度地下工程設(shè)計(jì)還處于經(jīng)驗(yàn)探索階段，而對(duì)于埋深大、跨度大、復(fù)雜工程地質(zhì)條件下的地下工程的穩(wěn)定性問題，是現(xiàn)有地下工程設(shè)計(jì)理論急需解決的難題。因此本論文以超大跨度地下工程圍巖穩(wěn)定性為研究對(duì)象，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法，對(duì)大跨度地下工程穩(wěn)定性問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。具體

2、的研究方法和得到的主要結(jié)論如下所述:
　　(1)通過對(duì)硬質(zhì)砂巖的單軸及三軸試驗(yàn)，研究了硬質(zhì)砂巖所具有彈-脆-塑性變形與破壞特征。室內(nèi)試驗(yàn)主要進(jìn)行了單軸壓縮、三軸壓縮、三軸循環(huán)加卸載及真三軸試驗(yàn)。研究了深埋條件下巖質(zhì)砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變特性及破壞特征，在低圍壓條件砂巖在達(dá)到峰值強(qiáng)度前的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系接近線性，在峰后應(yīng)力跌落明顯，當(dāng)圍壓超過臨界壓力時(shí)，峰值后的砂巖表現(xiàn)出較明顯的延性特征。
　　(2)建立了能反映硬質(zhì)砂巖變形破壞特性的

3、脆-延-塑轉(zhuǎn)換本構(gòu)模型，并根據(jù)FLAC3D軟件fish語言編程規(guī)則，編制了脆-延-塑轉(zhuǎn)換本構(gòu)內(nèi)置模型。通過數(shù)值模擬驗(yàn)證，利用該模型的計(jì)算成果與巖石力學(xué)性質(zhì)較一致，當(dāng)處于低圍巖時(shí)，巖樣呈現(xiàn)較為顯著的脆性特征，隨圍壓增加延性性質(zhì)得到逐步體現(xiàn)，當(dāng)圍壓處于臨界圍壓時(shí)，巖樣力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為典型的理想彈塑性狀態(tài)。
　　(3)建立利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)進(jìn)行圍巖損傷區(qū)預(yù)測的研究方法。利用現(xiàn)場波速測試成果，通過損傷深度反分析的方法，確定了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法計(jì)

4、算中的圍巖參數(shù);通過Flac3d有限差分計(jì)算軟件，監(jiān)測開挖過程中最大主應(yīng)力隨最小主應(yīng)力降低的變化規(guī)律，并根據(jù)巖體的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度值，判斷監(jiān)測點(diǎn)的巖體強(qiáng)度狀態(tài)，從而進(jìn)行損傷區(qū)深度分析。
　　(4)應(yīng)用粒子流數(shù)值分析方法，確定損傷區(qū)深度隨埋深、跨度的變化規(guī)律。粒子流數(shù)值分析方法可對(duì)硬質(zhì)砂巖的脆-延-塑轉(zhuǎn)換和破裂行為兩個(gè)方面的特性進(jìn)行描述，在進(jìn)行大量的參數(shù)擬合的基礎(chǔ)上，利用PFC軟件對(duì)不同埋深、跨度的地下工程的損傷區(qū)進(jìn)行分析，研究發(fā)

5、現(xiàn)隨著埋深和跨度的逐步加大，損傷區(qū)深度逐漸加深。
　　(5)建立了多種因素對(duì)損傷區(qū)深度影響度的正交實(shí)驗(yàn)分析。通過對(duì)圍巖級(jí)別、跨度、水平地應(yīng)力系數(shù)、埋深、地應(yīng)力與軸線夾角五種影響因素在五種水平下的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為圍巖級(jí)別和跨度對(duì)損傷區(qū)深度具有顯著影響，而水平地應(yīng)力系數(shù)、埋深和地應(yīng)力方位角對(duì)結(jié)果沒有顯著影響。
　　(6)建立了圍巖穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性的評(píng)判方法。建立了基于應(yīng)力型破壞準(zhǔn)則、變形破壞準(zhǔn)則和塊體失穩(wěn)準(zhǔn)則的大跨度地下工

6、程的穩(wěn)定性判定方法。從理論分析、數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)類比三個(gè)途徑有效判斷大跨度地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性，形成一套綜合大跨度洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判定方法。
　　(7)在單軸、三軸巖石力學(xué)及流變?cè)囼?yàn)的基礎(chǔ)上，基于粒子群(PSO)圍巖流變參數(shù)優(yōu)化分析得到流變模型與試驗(yàn)流變曲線相吻合，該方法對(duì)于優(yōu)化流變參數(shù)、提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性具有較重要意義。根據(jù)數(shù)值分析，圍巖蠕變性質(zhì)并未改變錨桿和襯砌受力的總體分布特征，錨桿的軸力隨時(shí)間逐漸增大及安全性降低，襯