砂性隧道圍巖宏細(xì)觀破壞機(jī)理及控制.pdf

1、砂性隧道圍巖具有松散、破碎、低粘聚力等特性。其破壞往往具有突發(fā)性、持續(xù)性、階段性、對(duì)擾動(dòng)敏感性等特點(diǎn)。目前普遍采用的基于連續(xù)性假定的研究方法在砂性隧道圍巖中的適用性受到限制，因此有必要從圍巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)一步對(duì)圍巖宏觀結(jié)構(gòu)特性和安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
　　首先，通過對(duì)砂性隧道圍巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究，提出了圍巖顆粒體系失穩(wěn)破壞的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，得到了圍巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀強(qiáng)度參數(shù)之間的量化關(guān)系。建立了基于細(xì)

2、觀結(jié)構(gòu)失穩(wěn)層面的砂性圍巖破壞準(zhǔn)則。其次，從細(xì)觀顆粒接觸力穩(wěn)定性方面對(duì)圍巖松動(dòng)區(qū)產(chǎn)生機(jī)理和范圍進(jìn)行了研究，得到了隧道圍巖松動(dòng)區(qū)范圍分析過程和方法，對(duì)各影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。然后，在以上兩階段工作基礎(chǔ)上，對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了深入研究，提出了復(fù)合拱結(jié)構(gòu)的思想，并對(duì)其形成機(jī)理、發(fā)展演化規(guī)律、穩(wěn)定性判別及其影響因素進(jìn)行了分析。最后，針對(duì)砂性圍巖穩(wěn)定性控制原則和措施進(jìn)行研究，得到砂性圍巖的加固原則，并重點(diǎn)對(duì)注漿加固、鎖腳錨桿、自適應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)三個(gè)方

3、面進(jìn)行論證。主要工作和結(jié)論如下:
　　1.砂性圍巖宏觀上表現(xiàn)出的破壞特性與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通過對(duì)顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)在荷載作用下的演化規(guī)律進(jìn)行研究，創(chuàng)造性地提出了顆粒體系抗剪承載系數(shù)的概念。這一參數(shù)可以構(gòu)建起細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀強(qiáng)度參數(shù)之間的聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上建立了兩種細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型—“楔塊-滾動(dòng)模型”和“塑性鉸-楔塊模型”。細(xì)觀模型反映出砂性圍巖的剪切破壞是應(yīng)力重分布和顆粒重排列的過程，該過程中部分顆粒摩擦角不斷弱化，而承載顆粒數(shù)量逐漸增

4、多，土體內(nèi)部應(yīng)力分布逐漸均勻，剪切面承載力呈現(xiàn)先增大后減小的漸進(jìn)變化過程。
　　2.砂性隧道圍巖破壞除傳統(tǒng)意義上的剪切破壞之外，還會(huì)發(fā)生顆粒局部失穩(wěn)，在粘聚力較小的情況下，顆粒力鏈的局部失穩(wěn)相對(duì)剪切破壞更容易發(fā)生。影響松動(dòng)區(qū)范圍和形態(tài)的因素主要有圍巖的粘聚力、內(nèi)摩擦角，側(cè)壓力系數(shù)，以及圍巖所處荷載環(huán)境等因素。其中側(cè)壓力系數(shù)對(duì)松動(dòng)區(qū)形態(tài)影響顯著，其他參數(shù)則主要影響松動(dòng)區(qū)范圍，對(duì)基本形狀改變不明顯。
　　3.砂性圍巖結(jié)構(gòu)特性可用

5、復(fù)合拱進(jìn)行描述，復(fù)合拱的形成以及發(fā)展演化規(guī)律與圍巖的三種破壞模式相對(duì)應(yīng):上部垮落-拱結(jié)構(gòu)承載主體向上移動(dòng);拱腳失穩(wěn)-拱跨度會(huì)向兩側(cè)移動(dòng)，后續(xù)再發(fā)生高度的向上移動(dòng);下部滑移-拱結(jié)構(gòu)同時(shí)在跨度和高度上向外擴(kuò)展。在此過程中，設(shè)計(jì)了一種基于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理的破壞面搜索算法，可以對(duì)隧道下部滑移區(qū)進(jìn)行全局搜索判斷。該算法通過發(fā)散點(diǎn)數(shù)量、發(fā)散方位、傳播距離等進(jìn)行計(jì)算控制，可以有效的對(duì)潛在滑移區(qū)域進(jìn)行高效搜索。
　　4.砂性隧道圍巖的失穩(wěn)破壞特征與其