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1、本文主要依托擬建的京張城際鐵路八達(dá)嶺地下車(chē)站工程,以詳盡的巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ),以大量的巖石單軸、三軸全應(yīng)力-應(yīng)變曲線為支撐,對(duì)考慮殘余強(qiáng)度和損傷的巖體應(yīng)力場(chǎng)-滲流場(chǎng)耦合理論作了深入研究,并將理論研究成果應(yīng)用于八達(dá)嶺地下車(chē)站設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化和環(huán)境影響評(píng)估以及武廣高鐵尖峰頂隧道下穿地表高壓輸電線塔施工控制方案優(yōu)化。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性的研究方法、手段和研究成果摘要如下:
1、巖體殘余強(qiáng)度特征研究在隧道及地下工程中,研究巖體殘余強(qiáng)
2、度及峰后力學(xué)性質(zhì)對(duì)工程設(shè)計(jì)有著非常重要的意義。本文通過(guò)以下四個(gè)方面對(duì)巖體殘余強(qiáng)度特征展開(kāi)研究:(1)巖石在單軸壓縮條件下的變形及損傷特征分析;(2)常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)下巖石的殘余強(qiáng)度特征分析;(3)進(jìn)行單層節(jié)理巖體力學(xué)特性數(shù)值試驗(yàn)研究,重點(diǎn)分析單軸和三軸壓縮條件不同結(jié)構(gòu)面傾角的單層節(jié)理巖體的強(qiáng)度特征。
2、基于殘余強(qiáng)度修正的巖石損傷本構(gòu)模型巖石隨著圍壓的增大,殘余強(qiáng)度的增加幅度比峰值強(qiáng)度大,殘余強(qiáng)度逐漸成為影響巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲
3、線峰后段的主要因素,因此,在建立巖石損傷軟化統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型時(shí)考慮殘余強(qiáng)度進(jìn)行修正是非常有必要的?;趲r石應(yīng)變強(qiáng)度理論以及巖石微元強(qiáng)度服從Weibull隨機(jī)分布的假設(shè),本文考慮巖石峰后殘余強(qiáng)度對(duì)損傷變量進(jìn)行了修正,在微元破壞符合Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則條件下,建立了能夠反映巖石峰后軟化特征的三維損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型;然后,依據(jù)巖石試驗(yàn)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的幾何特征,推導(dǎo)出本構(gòu)模型參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并基于花崗巖室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行探討,研究
4、了Weibull分布參數(shù)與本構(gòu)模型的關(guān)系,探討了損傷修正系數(shù)的取值和巖石累積損傷的擴(kuò)展過(guò)程;最后,將本文建立的本構(gòu)模型理論曲線與四種巖石(斑狀二長(zhǎng)花崗巖、細(xì)晶大理巖、砂巖和粉砂質(zhì)泥巖)在不同圍壓下的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果證實(shí)該模型能很好的描述巖石破裂過(guò)程的全應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和表征巖石殘余強(qiáng)度特征。這對(duì)于巖石損傷軟化問(wèn)題以及巖石加固處理措施的研究均具有重要的意義。
3、巖石損傷本構(gòu)模型參數(shù)取值研究巖石損傷本構(gòu)模型的
5、參數(shù)是根據(jù)巖體地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI)計(jì)算取得。評(píng)價(jià)巖體地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)時(shí),因其基本要素取值過(guò)程存在較大的隨機(jī)性和模糊性,這就很難用靜態(tài)模式去準(zhǔn)確地衡量每個(gè)影響因素。巖體特征參量的模糊性反映了其內(nèi)在的不確定性,模糊數(shù)學(xué)理論能為更客觀的刻畫(huà)這種特性提供有力的數(shù)學(xué)手段。本文首先引入巖體節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理間距l(xiāng)和巖體完整性系數(shù)Kv描述巖體結(jié)構(gòu)特征,再引入大比例尺波形系數(shù)Jw、小比例尺光滑系數(shù)Js和節(jié)理蝕變系數(shù)Ja描述結(jié)構(gòu)面狀態(tài),然后把多因素模糊綜合
6、評(píng)判理論應(yīng)用到GSI系統(tǒng)的評(píng)價(jià)中去,并利用層次分析法確定模糊評(píng)判因素的權(quán)重,建立了GSI系統(tǒng)的模糊綜合評(píng)判模型。工程應(yīng)用表明,這種方法針對(duì)性較強(qiáng)、準(zhǔn)確度較高,能夠?qū)⒌刭|(zhì)調(diào)查勘探結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及專(zhuān)家意見(jiàn)有機(jī)結(jié)合起來(lái),從而減小了研究者決策時(shí)主觀性。GSI系統(tǒng)的模糊綜合評(píng)判法為GSI系統(tǒng)量化提供了新的途徑。
4、考慮損傷的巖體流固耦合模型研究應(yīng)用連續(xù)性方程、線動(dòng)量平衡方程、巖石損傷等效彈性模量方程及相應(yīng)的物性方程,在合理
7、的基本假設(shè)基礎(chǔ)上,對(duì)飽和狀態(tài)下滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)控制方程分別進(jìn)行了推導(dǎo),建立了考慮損傷效應(yīng)的滲流應(yīng)力耦合模型。在耦合方程組推導(dǎo)過(guò)程中,針對(duì)巖體損傷效應(yīng),考慮了巖體滲流狀態(tài)的變化及巖石孔隙率、滲透率變化。結(jié)合隧道圍巖的初始條件及邊界條件,研究了考慮損傷效應(yīng)的滲流應(yīng)力耦合模型有限差分求解方法,對(duì)求解過(guò)程進(jìn)行了程序設(shè)計(jì),以FLAC3D有限差分軟件為平臺(tái),進(jìn)行了軟件二次開(kāi)發(fā),程序計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)潔、便于實(shí)現(xiàn)。
5、工程應(yīng)用研究以京張城際鐵路八達(dá)
8、嶺超大規(guī)模地下車(chē)站修建為例,依據(jù)工程區(qū)水文地質(zhì)特征、水壓致裂原位應(yīng)力測(cè)量結(jié)果,利用有限差分軟件FLAC3D建立三維滲流-應(yīng)力耦合模型,并采用四種方案進(jìn)行數(shù)值模擬:全封堵、全排水、非耦合、注漿限排。并結(jié)合理論分析,著重研究在飽水狀況下八達(dá)嶺車(chē)站修建前后滲流場(chǎng)變化、涌水量、圍巖變形和地表沉降等環(huán)境影響負(fù)效應(yīng)因子,對(duì)因地下車(chē)站修建環(huán)境影響效應(yīng)的顯著性、空間分布特征和長(zhǎng)期效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)于裂隙發(fā)育、富水地層地下工程尤其修建于自然風(fēng)景
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