基于透明类岩石材料的层状围岩隧道力学特性研究

作     者：任誉茜 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶四桥

授予年度：2024年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：层状围岩 透明类岩石材料 高度贯通结构面 力学特性 破坏模式 

摘      要：本文以梧桐山隧道工程独特的层状围岩为对象,在考虑岩层倾角和围岩强度的基础上,研究了层状围岩的力学特性和破坏模式,为类似工程提供参考依据。本文选择透明材料制备具有高度贯通结构面的层状围岩隧道,设计了一种外框模具进行位移受限的单轴压缩试验;同时还设计了一套围压加载装置,用于进行不同围压条件下的真三轴试验。深入揭示岩层倾角和围岩强度因素对层状围岩隧道力学特性及破坏模式的影响规律,得到以下主要研究成果: (1)选用普通玻璃砂、熔融石英砂、天然水晶砂以及环氧树脂和聚醚胺为材料,制备具有不同强度的层状围岩隧道。同时,采用凡士林和保鲜膜制备高度贯通的结构面。 (2)对比围岩的应力-应变曲线图和能量演化曲线图发现,在单轴压缩和三轴压缩条件下,当岩层倾角θ=15°～45°时,围岩受到水平位移限制,在加载初期经历了较长的压密阶段,导致曲线较为平缓且峰值强度较低;相反,当θ=0°、60°和75°时,应力上升速度较快,并且围岩变形破坏迅速,峰值强度更高。外界所做功由弹性应变能逐渐转为耗散能,表明围岩抵抗外力破坏能力逐渐减弱,但由于位移和围压的限制,围岩仍具有一定抵抗外力破坏的能力。曲线产生波动有两个原因:一是骨料持续被碎裂,内部持续产生裂隙;二是岩层顺层面滑移并受到侧向限制。 (3)对比围岩的力学参数,发现其峰值强度、弹性模量和变形模量随岩层倾角增大呈“U型变化规律,即在θ=30°或45°时达到最小值。单轴压缩下,峰值应变表现为“驼峰型变化,这也是由于水平位移限制所导致;而在三轴压缩下,峰值应变则呈现倒“U型变化,这是因为当θ=15°～45°时,围岩在轴向加载下不仅发生顺层滑移,还会持续被压密,在两种因素共同作用下变形量更大。围岩强度越高,则其抗压强度最大值与最小值之差也越大,最大可达33.398MPa;相反的,围岩强度越低,则其抗压强度最大值与最小值之差较小,可达18.585MPa。表明围岩强度越高的层状岩体受到开挖扰动,对其力学性质影响更大,变形破坏更严重。 (4)对层状围岩隧道的破坏模式进行分析,发现破坏位置主要集中在洞周岩层较薄处及分层界面处。当θ=0°～30°时,围岩的破坏模式主要表现为轴向劈裂破坏,并伴有轴向张拉裂隙和垂直于层面的裂隙。而θ=45°～75°时,破坏模式则主要是沿着层面发生滑移破坏,并伴有垂直于层面的剪切裂隙。以CG和FQ为骨料的围岩强度更高且岩块崩落现象更明显,而以NC为骨料的围岩强度相对较低且破坏程度相对较小,表现为裂隙贯通后破坏。 (5)为避免开挖导致层状围岩发生较大变形,甚至失稳塌方,应加强超前地质预报并进行支护措施,提前探明围岩所处地质环境,并对隧洞周围岩层薄弱处及分层界面处进行支护,控制围岩变形及塑性区的扩展。