详情

原文传递高温高压隧道节理围岩卸荷效应与变形破坏机制研究

论文题名：	高温高压隧道节理围岩卸荷效应与变形破坏机制研究
关键词：	深埋隧道;节理围岩;高温高压;卸荷效应;破坏机制;隧道围岩
摘要：	在“交通强国”建设的深入实施下，交通基础设施建设快速发展，我国隧道数量和里程也得到迅速增长，并逐渐向“深、长、大”方向发展。随着埋深的增加，隧道开挖过程中所面临的高温高压问题也日趋突出，而高温状态下岩体的加卸载力学特性有别于常温状态，高温高压下隧道围岩的应力调整以及变形破坏机制也比浅部工程更复杂。因此，针对深埋隧道高温高压的特点以及我国西南地区岩体节理裂隙发育的特点，开展高温下节理岩体加、卸载力学特性研究和高温高压下隧道开挖节理围岩温度、应力场演化规律以及孕灾机制的研究成为一种现实需求。　　本文采用理论推导、试验探究和数值模拟相结合的方法，以深埋高温高压隧道节理围岩卸荷效应和变形破坏机制研究为主线，围绕高温高压节理岩体加卸载力学特性、高温高压隧道开挖围岩多场演化和成灾机制、深埋隧道开挖围岩稳定性判断开展了研究。所取得的主要研究成果如下：　　（1）通过理论推导明晰了高温高压隧道开挖围岩温度、应力场的演化规律及分布特征。结合拉普拉斯变换和贝塞尔方程求解了隧道开挖围岩温度场的理论解；同时利用复变函数法求解了降温过程中围岩中的温度应力和围岩总应力，明晰了围岩温度场和应力场的演化规律；最后基于断裂力学理论，推导了岩体节理端部应力强度因子随温度变化的表达式。　　（2）揭示了常温及高温单轴压缩下节理岩体的力学特性、裂纹发展规律、破坏模式以及能量演化规律。通过开展常温及高温下的完整岩石和节理岩体单轴压缩试验，明晰了不同温度状态下单一充填和交叉充填节理岩体的力学特性，并从细观数值模型角度解释了不同节理岩体力学特性变化规律；揭示了不同节理岩体破坏裂纹发展规律和破坏特征，将破坏裂纹切分为5个类别；基于能量原理分析了压缩过程中各节理岩体的能量指标特征，揭示了压缩过程中节理岩体的能量演化规律，将演化过程划分为4个阶段。　　（3）构建了高温节理岩体受荷损伤演化模型和高温节理岩体损伤本构模型。基于损伤力学原理，考虑温度和荷载的耦合作用，推导了高温节理岩体受荷损伤演化方程；基于损伤演化方程，建立了考虑节理初始损伤和高温热损伤的节理岩体损伤本构模型，并基于试验结果验证了模型的正确性。　　（4）建立了不同温度作用下完整岩石和节理岩体加卸荷强度计算模型。通过开展常温和高温下完整岩石和节理岩体加轴压卸围压的三轴试验，明晰了常温和高温下不同节理岩体的加卸荷力学特性，揭示了各节理岩体的加卸荷破坏模式和裂纹发展特征；采用Boltzmann模型拟合了完整岩石、单一节理和交叉节理岩体加卸荷强度随温度变化规律，基于三类试样三轴加卸荷强度变化模型的参数特征，整合得到统一的完整岩石和节理岩体加卸荷强度随温度变化计算模型，并基于试验结果验证了模型的合理性，试验值与计算值的误差绝对值均在5%以内。　　（5）明晰了高温高压下隧道开挖围岩多场演化规律和节理围岩变形破坏演化机制。考虑隧道开挖后围岩的热传导过程，通过数值模拟明晰了不同温度场和不同初始应力场下隧道开挖后围岩的温度、应力以及位移场的变化规律；揭示了不同倾角层状节理围岩和不同夹角的交叉节理围岩开挖变形破坏规律以及围岩灾变机制，将变形破坏演化过程可以分为两个大的阶段。　　（6）提出了“扣除-反演-叠加”的考虑高地温影响的深埋隧道地应力场反演方法。基于对依托工程的详细调查，建立了复杂三维精细化地质模型；基于区域地温分布特征，提出了“扣除-反演-叠加”的考虑高地温影响的地应力场反演方法，并对比验证了深埋工程地应力场反演中考虑高地温影响的合理性与必要性，用该方法反演结果中超过80%的数值点反演误差小于10%；最后从高温高压区段开挖后围岩温度、应力和位移演化的角度对隧道开挖围岩稳定性做了判断。
作者：	陈斌
专业：	土木工程;防灾减灾工程及防护工程
导师：	任青阳
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023