深埋隧道圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性及非線性動力學(xué)特性研究.pdf

1、南水北調(diào)、西電東送、青藏鐵路、西氣東輸以及西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等一系列重大工程中都涉及到許多深埋長大隧道,但是隨著隧道的埋深增加、跨度和長度增大,地應(yīng)力和地下水滲透壓將進(jìn)一步增加、巖體變形的非線性效應(yīng)將進(jìn)一步顯現(xiàn)。因此開展深埋隧道圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性與非線性動力學(xué)特性研究,無論是對地下空間的有效合理開發(fā)、施工優(yōu)化、確保工程順利進(jìn)行,還是對本學(xué)科的發(fā)展均有十分重要的意義。論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金重點項目“隧道及地下空間工程結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性與可靠性

2、”(50334060),以重慶市共和隧道和通渝隧道為工程背景,借助傳統(tǒng)的相似模擬試驗、數(shù)值模擬手段和現(xiàn)代的非線性科學(xué)理論,并考慮了深埋隧道滲流場與應(yīng)力場的耦合效應(yīng),采用“過程分析”的方法,對深埋隧道圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。本文所研究內(nèi)容及獲得的結(jié)論主要包括以下幾個方面:①采用石膏、Fe3O4粉末、重晶石粉、石英砂、環(huán)氧樹脂、硅橡膠、石膏等材料,采取改變Fe3O4粉末、重晶石粉、石英砂的比例,可使模型材料的容重在2.5～3.0 g/

3、cm3范圍內(nèi)變化;通過調(diào)整粘結(jié)劑的含量和比例,可以使模型材料的抗拉強(qiáng)度在1.6KPa~24KPa范圍內(nèi)變化,內(nèi)聚力在1.2KPa~90.6KPa范圍內(nèi)變化。②針對實際試驗條件,應(yīng)用內(nèi)窺攝影技術(shù),全程跟蹤了模型試驗破壞的全過程,確定了高應(yīng)力條件下隧道關(guān)鍵部位的變性特征和關(guān)鍵部位的裂紋演化特征,應(yīng)用應(yīng)變測試技術(shù)定量地確定了關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化規(guī)律。③通過巖石單軸試件數(shù)值試驗,研究巖石峰后的應(yīng)力特性,確定巖石材料的峰后軟化性質(zhì)與試件剪切帶之間的

4、關(guān)系,得出巖石試件在單軸壓縮狀態(tài)下發(fā)生的拉破壞實質(zhì)上是由先前的剪切破壞引起的這一重要結(jié)論。④結(jié)合物理模型試驗相似材料的力學(xué)特性,建立了應(yīng)變軟化模型,采用大變形的計算方法,對深埋隧道物理模型試驗破壞過程開展數(shù)值模擬對比分析,研究了高應(yīng)力對隧道圍巖系統(tǒng)的雙重非線性影響,數(shù)值計算結(jié)果與物理模型試驗結(jié)果基本吻合。⑤通過正交數(shù)值試驗,得出了巖體彈性模量、泊松比和軟化模量這三個因素對深埋隧道圍巖系統(tǒng)拉破壞體積、剪破壞體積和洞室垂直收斂位移、水平收斂

5、位移的單因素的影響規(guī)律及多因素的綜合影響規(guī)律。⑥從巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度出發(fā),根據(jù)深埋隧道圍巖裂隙發(fā)育規(guī)模與工程尺度的關(guān)系,建立可以同時考慮不同級別裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜裂隙巖體水力學(xué)模型,提出了模型的數(shù)值解法,結(jié)合改進(jìn)的對稱逐步超松弛預(yù)處理共扼梯度法,編制相應(yīng)的計算機(jī)源程序,實現(xiàn)了復(fù)雜裂隙巖體三維滲流場與應(yīng)力場耦合的快速仿真計算,運(yùn)用該模型研究了隧道開挖卸荷時應(yīng)力場與滲流場的耦合規(guī)律,表明該模型具有較好的實用性與可靠性。⑦反演確定用于深埋隧道圍巖

6、系統(tǒng)開挖卸荷特征研究的物理力學(xué)參數(shù),對模擬結(jié)果進(jìn)行混沌動力學(xué)研究,計算相關(guān)維、最大Lyapunov指數(shù)和Kolmogorov熵等非線性動力學(xué)指標(biāo),定量地分析了開挖卸荷時圍巖系統(tǒng)的演化過程,發(fā)現(xiàn)了圍巖系統(tǒng)演化對初始條件的敏感性,確定圍巖自身非線性作用與外在因素以及圍巖能量耗散與圍巖穩(wěn)定性之間的關(guān)系。⑧利用全域法,局域法,對隧道的圍巖變形進(jìn)行了預(yù)測,得到了與實測位移一致的預(yù)測結(jié)果;建立深埋隧道圍巖系統(tǒng)與支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相互作用的非線性動力學(xué)模型