地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析的三維強(qiáng)度折減法研究及工程應(yīng)用.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，大型工業(yè)企業(yè)和市政設(shè)施的地下工程系統(tǒng)日益增多，在水利電力、交通運(yùn)輸、礦山開采以及軍事工程中修建了大量的、規(guī)模巨大的地下洞室。因此，地下洞室圍巖的穩(wěn)定性研究便成為巖土力學(xué)理論界和工程界所關(guān)注的焦點(diǎn)。時至今日，國內(nèi)外學(xué)者對地下洞室圍巖的破壞形態(tài)和機(jī)理已經(jīng)有很深入的研究，但是由于自然界巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性，使得人們對地下洞室圍巖穩(wěn)定的認(rèn)識遇到了很大的障礙。因此，對地下洞室圍巖穩(wěn)定性評估和對圍巖的破壞形態(tài)

2、、破壞機(jī)理的深入研究具有重要的理論意義和工程意義。 傳統(tǒng)的地下洞室及其它巖土工程的設(shè)計、開挖和施工大多是根據(jù)經(jīng)驗來進(jìn)行的。當(dāng)開挖活動在埋藏深度不大或小規(guī)模范圍內(nèi)進(jìn)行的時候，經(jīng)驗類比的方法往往是有效的，但隨著開挖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，特別是大型地下礦山、大型地下廠房、大斷面地下隧道的地下洞室的出現(xiàn)，經(jīng)驗類比法己越來越不能滿足需要。而理論解析的方法只能適用于那些邊界條件較為簡單及介質(zhì)特性不甚復(fù)雜的問題。 20世紀(jì)50年代以來，隨著

3、計算機(jī)的應(yīng)用和有限元、邊界元、離散元等各種數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，使得對大型地下洞室圍巖穩(wěn)定分析設(shè)計可以采用數(shù)值方法求解。其中，有限元法作為一種廣泛使用的數(shù)值方法，其計算的準(zhǔn)確性和精確度不容質(zhì)疑?；趶?qiáng)度折減原理的有限元數(shù)值分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析的研究有很大的進(jìn)展，國內(nèi)外許多專家總結(jié)出很多頗具價值的強(qiáng)度折減法的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗，為巖土工程問題研究開辟了新的路徑。有限元強(qiáng)度折減法有許多相比其他方法獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，其中最重要的則是該方法可自動獲得

4、破壞滑動面。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，可計算的有限元單元數(shù)越來越多，很多試驗室問題或者大型巖土工程問題都可通過數(shù)值模擬得到更加準(zhǔn)確詳細(xì)的分析，應(yīng)用到實(shí)際工程的機(jī)會也會越來越多。因此，充分合理地發(fā)展和利用有限元數(shù)值分析方法，對更好地研究、設(shè)計、維護(hù)和加固巖土工程，有非常重要的意義。 本文在三維巖石破裂過程分析(RFPA3D)方法基礎(chǔ)上引入強(qiáng)度折減技術(shù)，建立RFPA三維巖土工程穩(wěn)定性強(qiáng)度折減分析方法，并且將該方法應(yīng)用范圍擴(kuò)展到研究地

5、下洞室圍巖穩(wěn)定性分析。RFPA三維強(qiáng)度折減法以有限元方法作為應(yīng)力分析工具，不僅滿足靜力平衡、應(yīng)變相容，且充分考慮材料的細(xì)觀非均勻特性，并秉承RFPA方法的破壞過程分析優(yōu)勢，能夠反映巖土結(jié)構(gòu)隨強(qiáng)度劣化而呈現(xiàn)出漸進(jìn)破壞誘致失穩(wěn)的演化過程。RFPA三維強(qiáng)度折減法能夠適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)地貌的地下洞室穩(wěn)定性分析；同時以單元的破壞次數(shù)統(tǒng)計作為洞室的失穩(wěn)判據(jù)，不僅可直觀地得到圍巖的滑移破壞面，還可求得安全系數(shù)，為地下洞室的穩(wěn)定性研究提供一種新的便捷、有效

6、方法。特別是RFPA三維強(qiáng)度折減法的穩(wěn)定性分析結(jié)果對于理解地下洞室的破壞形成機(jī)制具有重要意義，更有利于從洞室圍巖失穩(wěn)的源頭入手指導(dǎo)地下洞室防護(hù)設(shè)計。從分析與觀察的情況看，地下洞室的失穩(wěn)既可能是由于剪切破壞，也可能是由于張拉破壞引起，因而地下洞室穩(wěn)定安全系數(shù)也相應(yīng)有受剪破壞的安全系數(shù)與受拉破壞的安全系數(shù)，以及拉剪綜合安全系數(shù)。不管哪一種破壞的安全系數(shù)，又可以分為兩種情況：一種是引起地下洞室圍巖整體失穩(wěn)破壞所計算的安全系數(shù)稱為整體安全系數(shù)；

7、另外一種是引起洞室圍巖局部失穩(wěn)破壞，一般發(fā)生在洞室周圍以及其它節(jié)理裂隙等薄弱巖體中，其相應(yīng)的安全系數(shù)稱為局部安全系數(shù)。RFPA三維強(qiáng)度折減法通過調(diào)整其參數(shù)既可以模擬計算出受剪破壞安全系數(shù)，又可以計算出受拉破壞安全系數(shù)，以及既有剪破壞又有拉破壞的真實(shí)環(huán)境下的拉剪綜合安全系數(shù)。 本文首先研究了地下洞室圍巖的破壞機(jī)理，透徹的分析了影響洞室穩(wěn)定性的各種因素，定義出洞室圍巖失穩(wěn)破壞的幾種形式，總結(jié)出洞室圍巖穩(wěn)定的力學(xué)分析方法。 其

8、次，本文論述了RFPA三維強(qiáng)度折減法對失穩(wěn)破壞的判斷方法，以及討論了不同的失穩(wěn)準(zhǔn)則、屈服準(zhǔn)則，并且提出了新的失穩(wěn)評判方法，同時比較了RFPA三維強(qiáng)度折減法同傳統(tǒng)的極限分析方法的精度差異，詳細(xì)的討論了不同的物理力學(xué)參數(shù)對計算精度的影響。針對地下洞室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出洞室的局部安全系數(shù)和整體安全系數(shù)概念，并分析兩者的相互關(guān)系。 最后，通過對八字嶺隧道工程應(yīng)用的實(shí)例詳細(xì)分析以及其他工程的研究總結(jié)，提出了地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析及安全性評價的