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原文传递深埋隧道应变软化围岩与支护相互作用分析

论文题名：	深埋隧道应变软化围岩与支护相互作用分析
关键词：	深埋圆形隧道;掘进施工;空间效应;围岩岩体;弹塑性分析;应变软化特性;支护结构;相互作用
摘要：	近年来，尽管已有大量学者开展了关于深埋高应力隧道围岩稳定性的研究，但深部隧道或地下洞室仍经常发生塌方、支护结构失效破坏等工程事故。分析其原因，与科研人员对深埋隧道围岩开挖引起的力学响应问题、隧道掘进引起的围岩支护相互作用问题考虑不周有关，所建立的深埋隧道围岩大变形控制措施与支护设计标准缺乏针对性与理论依据。本文针对这些不足，对深埋圆形隧道弹塑性分析与考虑开挖面空间效应的支护作用效应展开系统深入的理论研究。　　首先，基于围岩理想弹塑性、应变软化、弹-脆-塑性峰后力学行为，提出了一种简便的有限差分方法来求解 Hoek-Brown屈服准则下深埋圆形隧洞的应力应变分布规律与塑性区域范围，通过算例验证了所提方法合理性。参数分析结果表明：对不稳定、强度较弱的软岩来讲，更应充分考虑岩体剪胀系数与临界塑性软化系数（岩体到达塑性残余阶段时的塑性剪切应变）。针对岩体体积膨胀随围压与塑性剪切应变的变化规律，提出了一种非线性剪胀模型，并将该模型嵌入有限差分求解程序中，通过一系列参数分析探讨了不同质量围岩与支护压力下围岩内部剪胀角的非线性分布规律，研究发现：对于质量较差的岩体，体积膨胀在接近洞壁时急剧增加，此种情况应予以重视；剪胀角随支护压力增大而先减小后增大，故在深部隧道施工或者采矿过程中，应存在最优支护设计加固岩体使得围岩的体积膨胀得到一定的控制。　　其次，考虑到临界塑性软化系数受围压影响显著，给出了围压在塑性区域内的卸荷路径，据此提出了一种关于临界塑性软化系数的围压变化模型，给出了改进的判别围岩是否由塑性软化区域进入流动区域的准则，比较了恒定与变化围压模型下围岩内临界塑性软化系数、应力应变分量等分布情况。结果表明，对于质量很差的岩体，相比于恒定围压模型，变化围压模型在一定程度上低估了围岩变形，此种情况应在工程实践中予以重视。另外，提出了一种半解析半数值方法对统一强度理论下深埋圆形隧洞围岩应力应变场进行推导求解，分析了中间主应力对应变软化围岩稳定性的影响，结果表明Mohr-Coulomb等单剪强度理论计算得到的支护设计偏于保守。　　然后，基于围岩与支护结构相互作用两阶段分析法，提出了一种简便的预测理想弹塑性、应变软化、弹-脆-塑性围岩下虚拟支护力的数值方法，通过与其他方法的计算结果对比论证了本文方法的优势。探讨了临界塑性软化系数、岩体质量、初始应力、剪胀系数对虚拟支护力与开挖面空间效应的影响规律。参数分析结果表明：许多关于隧道掘进的数值模拟研究或实际工程中，经常基于弹性假定计算应力释放率，相应的支护设计并不安全；对于高应力强剪胀性围岩，开挖面前方很远处岩体即不稳定，此时建议施加超前支护对围岩进行预加固。　　最后，基于围岩虚拟支护力的数值解，对第二阶段围岩与支护结构相互作用进行FLAC3D数值模拟分析，通过引入围岩变形折减率对支护控制围岩变形效果进行定量分析。根据大量参数分析，讨论了多种力学因素影响下衬砌受力与围岩变形折减率的变化规律，据此给出了多种工况下的支护施作滞后距离与围岩预留变形量的具体范围。提出了一种改进的围岩特征曲线，建立了支护结构刚刚施作时围岩洞壁初始变形与支护系统最终承受荷载（不考虑岩体流变作用）的相互关系。结果表明，对多数隧道工况，支护施作滞后距离应控制在1倍洞径内。复合型衬砌中，钢拱架对围岩变形控制效果并不十分明显，但在承担荷载方面发挥着极其重要的作用，在一定程度上对混凝土结构安全性进行了“保护”。
作者：	崔岚
专业：	岩土工程
导师：	郑俊杰
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文