深埋洞室围岩分区破裂演化规律及支护技术研究

作     者：陈宝平 

作者单位：西安科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于远祥

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081401[工学-岩土工程] 080104[工学-工程力学] 0814[工学-土木工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：深埋洞室 分区破裂 流变模型 演化规律 支护技术 

摘      要：随着世界经济的高速发展,深部岩体工程的开发与利用成为土木工程领域最活跃的研究方向之一,大量深逾千米的矿山巷道、引水隧洞及石油战备储存工程等大型深埋岩体工程相继开建。然而,深部地下岩体工程的开挖出现了有别于浅部洞室围岩破坏的现象,即分区破裂化现象。由于深部岩体工程是地下工程未来发展的主要趋势,研究深部岩体分区破裂化现象具有极其重要的现实意义。本文在总结分析前人研究成果的基础上,以分区破裂条件下的全长锚固锚杆为研究对象,通过对锚杆受力特征的系统分析,对深埋洞室围岩分区的演化规律进行了反演分析,并提出了针对性的围岩支护方案,主要结论如下:(1)分析了深埋条件下围岩分区破裂的形成过程。深埋洞室开挖初期,围岩应力二次分布,洞壁处形成第一个破裂区。应力再次释放并重新分布,此时该破裂区外边界相当于新的开挖边界,若再次分布的切向峰值支承压力大于弹塑性界面上岩体的极限强度,将形成第二个破裂区。依此类推,直至破坏停止。(2)分析了分区破裂条件下全长锚固锚杆的受力特征。深部洞室开挖后,围岩应力将发生多次重分布,形成围岩分区破裂现象。在此过程中,同段锚杆表面摩阻力在不同时刻的大小不等,同一时刻不同段锚杆表面摩阻力分布情况也不尽相同,表现为锚杆承受拉—压交替的受力特点。基于围岩—锚杆协调变形原理,建立了分区破裂条件下的锚杆受力分析模型。(3)提出了确定围岩各破裂区发生时刻的理论公式。深埋洞室开挖后,围岩应力发生重新分布,弹塑性界面处岩体显著的流变特性是产生分区破裂现象的关键性因素。结合弹塑性界面处岩体流变特性及最大偏应力强度理论,推导了各分区弹塑性界面上岩体发生破裂时刻的表达式。结果表明:岩体的破裂时刻与岩体的力学性质以及承受的最大偏应力、径向应力等因素密切相关。(4)建立了围岩分区厚度、非破裂区及破裂区宽度的理论计算公式。根据锚杆中性点处杆体与岩体的位移特征,推导了围岩分区破裂现象中锚杆中性点位置分布的多解性理论计算公式。在确定锚杆中性点位置的基础上,运用锚杆中性点理论和围岩弹塑性变形理论推导了反演计算围岩分区厚度、非破裂区及破裂区宽度的理论公式。结果表明:破裂区的相对外径随岩体粘聚力、内摩擦角的增加而减小,随开挖半径的增大急剧增大。其厚度随岩体粘聚力及内摩擦角的增加快速减小。(5)提出了分区破裂条件下的针对性围岩支护方案。在确定围岩各分区范围、破裂时刻、破裂区厚度的基础上,通过合理布置锚杆和确定各破裂区岩体的注浆量,提出了“定位+定时+定量的锚注联合支护技术,为国内外深埋岩体工程的支护设计提供了新的思路。