宏观各向异性本构模型及其在软岩大变形隧道中的应用

来源 :石家庄铁道大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yaoyaoyy1188
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软岩隧道大变形问题一直是人们关注的热点问题,因其会对施工安全与人员生命安全产生直接的威胁并且造成巨大经济损失,同时也是施工重大难点。为解决实际工程问题,需要对其进行进一步分析。由于产生软岩隧道大变形问题大都是层状岩体,因此本文以层状岩体为前提,采用更能表明现场岩体状况的岩体数值分析,在此基础来研究层状软岩的宏观各向异性本构关系及其在软岩隧道大变形中的应用,希望能为相似的工程问题提供参考和借鉴,其研究成果主要有以下几方面:(1)从不同夹角(最大主应力和层面法向的夹角)层状岩体在不同围压下峰值强度、黏聚力和内摩擦角情况可以看出,其不同夹角为0°~90°的峰值强度、黏聚力和内摩擦角变化大致呈现出“U”型,其中0°与90°的峰值强度、黏聚力和内摩擦角相较于其他夹角在相同围压下取得最大值且二者较为接近,在45°、60°夹角取值较小且相近,大都在夹角60°取得峰值强度、黏聚力和内摩擦角最小值,所得的黏聚力和内摩擦角最大值接近岩块强度参数,最小值接近节理强度参数。(2)不同岩块内摩擦角与黏聚力参数变化中,可以看出薄层层状岩体在不同岩块内摩擦角与黏聚力参数下0°、15°与90°夹角(中层时还包括75°)的峰值强度、内摩擦角与黏聚力变化幅度最为剧烈,表明这3种(中层4种)夹角受岩块内摩擦角与黏聚力参数变化影响大,而30°、45°、60°与75°节理(中层时不包括75°)夹角变化幅度相较而言不明显,可以认为这4种(中层3种)夹角受岩块内摩擦角与黏聚力变化影响较小,而岩块内摩擦角的变化不会对层状岩体所得黏聚力产生影响,同样岩块黏聚力变化不会对层状岩体所得内摩擦角产生影响。(3)不同节理内摩擦角与黏聚力参数变化中,可以看出薄层层状岩体在不同节理内摩擦角与黏聚力参数下30°、45°、60°与75°夹角(中层时不包括75°)所得峰值强度、内摩擦角与黏聚力变化幅度相对而言较大,表明这4种(中层时3种)夹角受节理内摩擦角与黏聚力参数变化影响大,而0°、15°与90°夹角(中层时包括75°)变化幅度相较而言不明显,可以认为这3种(中层时4种)夹角受节理内摩擦角与黏聚力参数变化影响较小。而节理内摩擦角的变化不会对所求得层状岩体的黏聚力产生影响,同样节理黏聚力的变化不会对所求得内摩擦角产生影响。(4)薄层与中厚层岩体的不同之处:破坏时中厚层相较于薄层而言表现刚性破坏更为明显;中厚层与薄层所得的不同夹角下峰值强度、内摩擦角与黏聚力的“U”型图有所不同;薄层岩体所受节理控制夹角的范围大于中层岩体,推测由于岩体性质不同,同时伴随着岩体层厚变薄即节理数量增加,所受节理控制的夹角范围也将变大,认为主要以45°为中心向两侧辐射。(5)从弹性阶段本构关系以及塑性屈服准则进行本构模型方面研究,弹性阶段主要是得出5个弹性阶段的弹性常数,对于屈服准则仍然借助摩尔库伦准则,此时黏聚力与内摩擦角是关于夹角的函数关系最终所示是一个呈现出非线性“U”型关系式。同时对于二次开发方面内容也进行了介绍,二次开发方面是利用C++语言借助FLAC3D数值计算平台完成。(6)在软岩隧道大变形试算结果中以不同岩层产状倾角0°~90°为例,其偏转下位移变形情况随着倾角出现了较为明显的偏转变化,主要顺着倾角由拱底与拱顶变形逐步过度到拱肩与拱腰变形,其中0°~45°拱底隆起变形量要大于拱顶沉降值,而后到60°~90°倾角明显拱肩拱腰变形要大于其他位置,最大变形量出现在45°~60°之间;对于不同位置掌子面挤出位移总体上随着倾角0°~90°的变化逐步减小,其中下掌子面与中掌子面在陡倾倾角45°以上时出现有稍显增加的趋势但幅度不大,总体中、下掌子面挤出位移要大于上掌子面挤出位移。最后与兰渝铁路两水隧道的实测规律进行对比,总体上来说规律较好。
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