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原文传递浅埋隧道上覆岩体塌落机制及其不确定性研究

论文题名：	浅埋隧道上覆岩体塌落机制及其不确定性研究
关键词：	浅埋隧道;上覆岩体;塌落机制;不确定性
摘要：	在复杂的地质构造作用下，大量的孔隙、裂隙、节理、断层等结构面随机分布在岩体中，并降低了岩体的力学强度及稳定性，导致山岭隧道的围岩极易发生失稳破坏，进而影响隧道结构的稳定。其中，浅埋隧道上覆岩体的失稳塌落是一个渐进的破坏过程，导致受失稳破坏影响的范围远大于最初发生局部塌落的区域，且地震动作用可诱发原本已稳定的隧道围岩发生塌落破坏。因此，对浅埋隧道上覆岩体的塌落机制有全面且清晰的认识才可指导隧道结构和支护结构的设计，预防岩体塌落。但目前对浅埋隧道上覆岩体塌落问题的极限分析对岩体稳定性的评价并不准确，且无法分析包含软弱节理的岩体塌落问题和地震动作用的岩体塌落问题，存在明显的局限性。因此，对浅埋隧道上覆岩体的塌落机制研究有着重要的工程意义。　　本文以浅埋隧道上覆的岩体为研究对象，优化现有求解塌落岩块边界曲线的解析方法，对节理岩体的重力塌落机制和地震动作用下岩体的塌落机制展开系统研究，考虑隧道截面形状、地下水、偏压地层和岩体强度参数对岩体塌落的影响，分析不确定岩体参数下浅埋隧道上覆岩体塌落边界曲线的区间分布及统计特征，阐明浅埋隧道上覆岩体的塌落破坏机理。具体研究成果如下：　　（1）对浅埋隧道上覆岩体进行极限分析，基于上限定理和Hoek-Brown强度准则建立塌落岩块的虚功率方程，并通过待定边界变分法推导塌落岩块边界曲线表达式的解析解，将本研究的理论结果与现有以固定边界变分法求解的结果和离散元数值仿真结果进行对比，结果表明本文对浅埋隧道上覆岩体的塌落分析结果更接近真实情况。　　（2）当岩体存在软弱节理面时岩体极易沿节理面发生破坏进而诱发塌落，假设塌落岩块两侧边界服从不同强度准则，由极限分析方法推导浅埋隧道上覆岩体的塌落破坏曲线解析解，探明节理面特性对岩体塌落的影响，通过离散元仿真分析验证理论结果的正确性。　　（3）结合拟动力法和极限分析法研究浅埋隧道上覆岩体的地震动塌落问题，推导得塌落岩块的两条边界曲线解析解，分析剪切波和纵波加速度对岩体塌落的影响，发现在不考虑地震作用对岩体强度影响的前提下纵波沿重力方向传播会诱发岩体的塌落，而剪切波导致塌落岩块边界曲线的歪斜。　　（4）分别讨论了隧道截面形状、地下水和偏压地层等因素在岩体重力塌落问题、节理岩体重力塌落问题和地震动作用下岩体塌落问题中对岩体塌落的影响，结果表明：与矩形隧道相比，圆形拱顶隧道上覆岩体的稳定性更好；地下水和偏压底层均对岩体的塌落存在抑制作用。　　（5）考虑岩体的不确定性问题，利用蒙特卡洛方法对浅埋隧道上覆岩体塌落进行概率-区间混合不确定性分析，研究了岩体参数的不确定性对浅埋隧道上覆岩体塌落的影响，明确浅埋隧道上覆岩体塌落曲线解析解的区间分布及统计特征，研究结果可为隧道安全宽度设计提供技术指引。　　本研究弥补了现有关于浅埋隧道上覆岩体塌落问题理论研究的不足，论证了各种岩体强度参数、工程设计参数和地震波参数对岩体塌落的影响，探明了浅埋隧道上覆岩体的塌落破坏机理，研究成果可为浅埋山岭隧道设计提供了一定的理论支持。
作者：	梁嘉韵
专业：	岩土工程
导师：	崔杰
授予学位：	博士
授予学位单位：	广州大学
学位年度：	2022