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原文传递隧道开挖瞬态卸荷下围岩应力重分布与位移演化规律试验研究

论文题名：	隧道开挖瞬态卸荷下围岩应力重分布与位移演化规律试验研究
关键词：	隧道开挖;瞬态卸荷;围岩变形;应力重分布;位移演化;仿真试验
摘要：	深部岩石地下空间的开发利用以及地下资源的开采，已经成为当前工程建设的常态。相较于浅层岩石，深部岩石的开挖卸荷在工程活动中易诱发围岩结构失稳坍塌、层裂、岩爆等工程地质灾害，因此，深部岩石下开挖卸荷备受学者们关注。本文针对不同侧压力系数下深部隧道开挖瞬态卸荷的动力效应问题，以有机玻璃（PMMA）材料为对象开展室内模型试验，通过搭建隧道开挖瞬态卸荷试验系统，得到了瞬态卸荷引起的围岩变形与应力重分布规律，并通过数值模拟对瞬态卸荷引起的围岩损伤研究。主要研究成果如下：　　（1）建立隧道开挖瞬态卸荷试验模拟系统。基于液压双轴机、冲击卸荷试验装置、超动态信号测试分析系统和高速摄像系统搭建的加载及观测系统。同时，设计新型的隧道模型结构，利用冲击加载激发的应力波对隧道围岩实现瞬态卸荷。该试验模拟系统的提出有效解决了室内实验中难以实现围岩瞬态卸荷的难题。　　（2）揭示不同侧压力系数条件下，隧道开挖瞬态卸荷引起的应力重分布时空演化特征。瞬态卸荷后，拱顶上方径向应力迅速降低、切向应力迅速增大，而后趋于稳定。应力的变化量与侧压力系数和距离隧道中心距离有明显相关性，径向应力变化量随着侧压力系数（k0）的增加而降低，切向应力与之相反。随着距离隧洞中心的增加，径向与切向应力变化量均减少。当k0≤0.5时，拱腰左侧径向应力增大，且变化量随着侧压力系数的增大而降低；当k0≥0.6时，径向应力减小，且变化量与k0正相关；各k0下切向应力增大且变化量与k0正相关。当k0相同时，随着距离隧道中心的距离增加，径向应力与切向应力变化量均降低。　　（3）通过数字图像相关方法（DIC）揭示不同k0下，隧道开挖瞬态卸荷引起的隧道全场位移分布时空演化特征。隧道拱顶上方测点垂直位移为负向且位移量随着侧压力系数增加而降低。当k0≤0.6时，拱腰左侧测点水平位移为负向且位移量随着侧压力系数的增大而减小；当k0≥0.7时，水平位移为负向且位移量随着侧压力系数的增大而减小。同一侧压力系数，位移变化量均随距离隧道中心距离的增加而减小。　　（4）获得隧道开挖瞬态卸荷条件下，侧压力系数对峰值振动速度的影响规律。拱顶上方测点随着k0增加峰值振动速度呈线性降低且速度方向为负；同一侧压力系数，随着r/a的增加质点峰值振动速度以指数形式降低且降低的速率变缓。当k0≤0.6时，拱腰左侧测点峰值振动速度方向为负，且速度大小随着侧压力系数的增加而降低；当k0≥0.7时，峰值振动速度方向为正，随着侧压力系数的增大而增大。测点峰值振动速度随着距离隧洞中心的距离增加而衰减。　　（5）采用PFC2D模拟隧道开挖瞬态卸荷，结果表明数值模拟的弹性阶段应力变化曲线与试验曲线变化吻合良好，对比理论计算、数值模拟和试验结果的应力稳定变化量，三者基本一致。在瞬态卸荷引起的围岩开裂的模拟中发现，瞬态卸荷引起的围岩破坏以拉剪破坏为主，裂纹分布的角度范围与侧压力系数相关，与卸荷时间的改变无明显关系。侧压力系数一定时，裂纹的数量与卸荷时间负相关；当k0＜1且卸荷时间一定时，裂纹数量随着侧压力系数的增加而减少。最大破坏半径（Rmax）与卸荷时间和侧压力系数均负相关；当卸荷时间发生改变时，侧压力下系数较小的围岩受到的影响较大。
作者：	朱看远
专业：	水利工程
导师：	夏开文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2022