穿越斷層帶隧道建設(shè)關(guān)鍵力學(xué)問題研究.pdf

1、論文針對穿越大型斷層破碎帶隧道建設(shè)中亟待解決的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域地應(yīng)力場、斷層破碎帶巖體剪脹及各向異性非線性特性、隧道穿越施工引起的圍巖變形局部化、斷層破碎帶大變形狀態(tài)下隧道合理支護(hù)方式與支護(hù)時機(jī)等關(guān)鍵力學(xué)問題，采用數(shù)值模擬、理論分析與工程現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，利用位移不連續(xù)法(DDM)和有限元(FEM)作為計算手段，結(jié)合巖石力學(xué)、斷裂力學(xué)、數(shù)學(xué)優(yōu)化算法等，系統(tǒng)研究了斷層區(qū)域地應(yīng)力場分布規(guī)律、斷層區(qū)域地應(yīng)力場回歸反演方法、斷層帶節(jié)理巖體的

2、變形與擴(kuò)容機(jī)理、斷層帶巖體力學(xué)參數(shù)的選取與評價方法、綜合考慮支護(hù)強(qiáng)度與變形的支護(hù)理論與方法等。取得了相應(yīng)的具有創(chuàng)新意義和應(yīng)用參考價值的研究成果:
　　 1)提出了DDM中考慮非線性結(jié)構(gòu)面的迭代求解方法，從而可將既有線性與非線性節(jié)理模型代入DDM中對真實斷裂構(gòu)造巖體進(jìn)行模擬，突破了非連續(xù)面壓剪傳統(tǒng)摩擦滑移DDM簡化模式，拓展了DDM數(shù)值方法在結(jié)構(gòu)面非線性有限變形問題中的適用性。
　　 2)定量化系統(tǒng)研究了非線性斷層對周圍地

3、應(yīng)力場的擾動影響。采用DDM對非線性斷層周圍地應(yīng)力場進(jìn)行了計算分析，比較系統(tǒng)地研究了斷層幾何尺度、產(chǎn)狀特征、斷層面巖體物理力學(xué)特性對擾動地應(yīng)力場的影響。結(jié)果表明:①隨著斷層法向與切向剛度的增大，斷層對地應(yīng)力場的擾動影響程度逐漸減小;②隨著斷層厚度-長度比的增大，斷層對地應(yīng)力場的擾動影響程度逐漸增大;③隨著斷層粘聚力c和內(nèi)摩擦角(φ)的增大，斷層對地應(yīng)力場的擾動程度越小;④隨著斷層與最大主壓應(yīng)力荷載夾角的增大，斷層對地應(yīng)力場的擾動影響范圍

4、先增大后減小，在夾角為45°時擾動影響范圍最大;⑤相較于采用摩爾庫倫線性節(jié)理模型，在采用BB非線性節(jié)理模型時，斷層周邊應(yīng)力與位移較大，應(yīng)力場的擾動影響范圍也較大，而斷層自身的變形與應(yīng)力則是摩爾庫倫線性模型更大，在工程應(yīng)用中須注意到兩種模型的差異。
　　 3)首次采用DDM與線性回歸分析法相結(jié)合，建立了基于有限實測點應(yīng)力狀態(tài)的初始地應(yīng)力場多元回歸反演方法。假設(shè)初始地應(yīng)力場是自重應(yīng)力場與構(gòu)造應(yīng)力場的疊加，對各組成要素進(jìn)行回歸分析組成

5、總的地應(yīng)力場。將DDM地應(yīng)力回歸反演程序嵌入到Nelder-Mead參數(shù)優(yōu)化算法中，解決了現(xiàn)有地應(yīng)力回歸反演方法不能同步實現(xiàn)巖體力學(xué)參數(shù)優(yōu)化的問題，并應(yīng)用到某地下硐室工程中，通過有限元回歸反演進(jìn)行對比，結(jié)果顯示DDM回歸反演結(jié)果較有限元回歸反演更接近實測地應(yīng)力值。
　　 4)針對無實測地應(yīng)力值的工程情況，提出以斷層產(chǎn)狀為目標(biāo)函數(shù)的DDM多元回歸反演方法。假設(shè)現(xiàn)有斷層產(chǎn)狀是由重力和地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生，將該方法應(yīng)用與兩個隧道工程案例中

6、，為工程設(shè)計與施工提供了參考。
　　 5)構(gòu)建了節(jié)理巖體粘彈塑性一維柱狀模型，并結(jié)合三維球坐標(biāo)系統(tǒng)將一維非線性粘彈塑性元件模型應(yīng)用于破碎帶巖體各向異性、非線性變形特性的定量模擬。同時通過節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)的三維空間分布情況，提出了基于物理力學(xué)參數(shù)均值及其方差概率分布的斷層帶節(jié)理巖體各向異性特征的評價方法，并建立了臨界判斷指標(biāo)及合理力學(xué)參數(shù)的選取方法。
　　 6)定量化研究了節(jié)理巖體變形和體積變化，揭示了節(jié)理巖體裂隙性擴(kuò)容的

7、機(jī)理。將節(jié)理巖體的體積變化分解為完整巖塊和節(jié)理兩部分，裂隙性擴(kuò)容分為“節(jié)理受壓擴(kuò)展:原節(jié)理受壓閉合、新擴(kuò)展節(jié)理張開;卸載:新擴(kuò)展節(jié)理閉合、原節(jié)理回彈張開”兩個階段，新舊節(jié)理的體積變化代數(shù)和決定了節(jié)理的總體積變化。當(dāng)節(jié)理法向剛度與巖塊彈性模量的比值大于某一臨界值時，受壓節(jié)理巖體的體積增大，即發(fā)生擴(kuò)容，將該臨界值定義為“臨界剛度比”，荷載與節(jié)理夾角為30°時臨界剛度比最小，即此時最容易發(fā)生裂隙性擴(kuò)容。
　　 7)揭示了穿越斷層帶隧道