考慮殘余強度和損傷的巖體應(yīng)力場—滲流場耦合理論研究及工程應(yīng)用.pdf

1、本文主要依托擬建的京張城際鐵路八達嶺地下車站工程，以詳盡的巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查統(tǒng)計為基礎(chǔ)，以大量的巖石單軸、三軸全應(yīng)力-應(yīng)變曲線為支撐，對考慮殘余強度和損傷的巖體應(yīng)力場-滲流場耦合理論作了深入研究，并將理論研究成果應(yīng)用于八達嶺地下車站設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化和環(huán)境影響評估以及武廣高鐵尖峰頂隧道下穿地表高壓輸電線塔施工控制方案優(yōu)化。論文的主要創(chuàng)新性的研究方法、手段和研究成果摘要如下:
　　1、巖體殘余強度特征研究在隧道及地下工程中，研究巖體殘余強

2、度及峰后力學性質(zhì)對工程設(shè)計有著非常重要的意義。本文通過以下四個方面對巖體殘余強度特征展開研究:(1)巖石在單軸壓縮條件下的變形及損傷特征分析;(2)常規(guī)三軸壓縮試驗下巖石的殘余強度特征分析;(3)進行單層節(jié)理巖體力學特性數(shù)值試驗研究，重點分析單軸和三軸壓縮條件不同結(jié)構(gòu)面傾角的單層節(jié)理巖體的強度特征。
　　2、基于殘余強度修正的巖石損傷本構(gòu)模型巖石隨著圍壓的增大，殘余強度的增加幅度比峰值強度大，殘余強度逐漸成為影響巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲

3、線峰后段的主要因素，因此，在建立巖石損傷軟化統(tǒng)計本構(gòu)模型時考慮殘余強度進行修正是非常有必要的?；趲r石應(yīng)變強度理論以及巖石微元強度服從Weibull隨機分布的假設(shè)，本文考慮巖石峰后殘余強度對損傷變量進行了修正，在微元破壞符合Hoek-Brown屈服準則條件下，建立了能夠反映巖石峰后軟化特征的三維損傷統(tǒng)計本構(gòu)模型;然后，依據(jù)巖石試驗全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的幾何特征，推導(dǎo)出本構(gòu)模型參數(shù)的數(shù)學表達式，并基于花崗巖室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行探討，研究

4、了Weibull分布參數(shù)與本構(gòu)模型的關(guān)系，探討了損傷修正系數(shù)的取值和巖石累積損傷的擴展過程;最后，將本文建立的本構(gòu)模型理論曲線與四種巖石（斑狀二長花崗巖、細晶大理巖、砂巖和粉砂質(zhì)泥巖）在不同圍壓下的常規(guī)三軸壓縮試驗曲線進行對比分析，結(jié)果證實該模型能很好的描述巖石破裂過程的全應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和表征巖石殘余強度特征。這對于巖石損傷軟化問題以及巖石加固處理措施的研究均具有重要的意義。
　　3、巖石損傷本構(gòu)模型參數(shù)取值研究巖石損傷本構(gòu)模型的

5、參數(shù)是根據(jù)巖體地質(zhì)強度指標(GSI)計算取得。評價巖體地質(zhì)強度指標時，因其基本要素取值過程存在較大的隨機性和模糊性，這就很難用靜態(tài)模式去準確地衡量每個影響因素。巖體特征參量的模糊性反映了其內(nèi)在的不確定性，模糊數(shù)學理論能為更客觀的刻畫這種特性提供有力的數(shù)學手段。本文首先引入巖體節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理間距l(xiāng)和巖體完整性系數(shù)Kv描述巖體結(jié)構(gòu)特征，再引入大比例尺波形系數(shù)Jw、小比例尺光滑系數(shù)Js和節(jié)理蝕變系數(shù)Ja描述結(jié)構(gòu)面狀態(tài)，然后把多因素模糊綜合

6、評判理論應(yīng)用到GSI系統(tǒng)的評價中去，并利用層次分析法確定模糊評判因素的權(quán)重，建立了GSI系統(tǒng)的模糊綜合評判模型。工程應(yīng)用表明，這種方法針對性較強、準確度較高，能夠?qū)⒌刭|(zhì)調(diào)查勘探結(jié)果、試驗結(jié)果、統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及專家意見有機結(jié)合起來，從而減小了研究者決策時主觀性。GSI系統(tǒng)的模糊綜合評判法為GSI系統(tǒng)量化提供了新的途徑。
　　4、考慮損傷的巖體流固耦合模型研究應(yīng)用連續(xù)性方程、線動量平衡方程、巖石損傷等效彈性模量方程及相應(yīng)的物性方程，在合理

7、的基本假設(shè)基礎(chǔ)上，對飽和狀態(tài)下滲流場和應(yīng)力場控制方程分別進行了推導(dǎo)，建立了考慮損傷效應(yīng)的滲流應(yīng)力耦合模型。在耦合方程組推導(dǎo)過程中，針對巖體損傷效應(yīng)，考慮了巖體滲流狀態(tài)的變化及巖石孔隙率、滲透率變化。結(jié)合隧道圍巖的初始條件及邊界條件，研究了考慮損傷效應(yīng)的滲流應(yīng)力耦合模型有限差分求解方法，對求解過程進行了程序設(shè)計，以FLAC3D有限差分軟件為平臺，進行了軟件二次開發(fā)，程序計算過程簡潔、便于實現(xiàn)。
　　5、工程應(yīng)用研究以京張城際鐵路八達

8、嶺超大規(guī)模地下車站修建為例，依據(jù)工程區(qū)水文地質(zhì)特征、水壓致裂原位應(yīng)力測量結(jié)果，利用有限差分軟件FLAC3D建立三維滲流-應(yīng)力耦合模型，并采用四種方案進行數(shù)值模擬:全封堵、全排水、非耦合、注漿限排。并結(jié)合理論分析，著重研究在飽水狀況下八達嶺車站修建前后滲流場變化、涌水量、圍巖變形和地表沉降等環(huán)境影響負效應(yīng)因子，對因地下車站修建環(huán)境影響效應(yīng)的顯著性、空間分布特征和長期效應(yīng)進行評價。模擬計算結(jié)果對于裂隙發(fā)育、富水地層地下工程尤其修建于自然風景