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[精品论文]利用修正强度应力比法预测隧道围岩岩爆

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[精品论文]利用修正强度应力比法预测隧道围岩岩爆[精品论文]利用修正强度应力比法预测隧道围岩岩爆 利用修正强度应力比法预测隧道围岩岩爆 摘要:岩爆是在高应力条件下地下工程围岩因开挖卸荷引起的重要地质灾害,给地下工程围岩的稳定性和施工安全带来严重威胁,本文介绍了利用强度应力比法预测隧道围岩发生岩爆的危险性,为隧道施工防止岩爆发生或降低岩爆烈度级别提供参考。 关键词:强度比法;围岩;岩爆;危害性;预测 前言 岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象,当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时,破坏了岩体结构的平衡,多余的能量导致岩石爆裂,...

[精品论文]利用修正强度应力比法预测隧道围岩岩爆
[精品论文]利用修正强度应力比法预测隧道围岩岩爆 利用修正强度应力比法预测隧道围岩岩爆 摘要:岩爆是在高应力条件下地下工程围岩因开挖卸荷引起的重要地质灾害,给地下工程围岩的稳定性和施工安全带来严重威胁,本文介绍了利用强度应力比法预测隧道围岩发生岩爆的危险性,为隧道施工防止岩爆发生或降低岩爆烈度级别提供参考。 关键词:强度比法;围岩;岩爆;危害性;预测 前言 岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象,当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时,破坏了岩体结构的平衡,多余的能量导致岩石爆裂,使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。自1738年英国南斯塔福锡矿首次发生岩爆以来,世界上已有包括我国在内的二十多个国家 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 了岩爆发生的情况,岩爆使施工难度加大,成本增加,危及施工安全。 针对岩爆的发生机制,采用有针对性的防治措施,可以防止岩爆发生或降低岩爆烈度级别,这使得预测岩爆发生的危险位置及等级显得尤为重要,虽然国内外众多学者就岩爆形成机制还没有形成一致意见,但都认为岩爆发生的前提是由于硐室开挖造成围岩卸荷,导致岩爆发生。卸荷作用不仅引起岩体应力分异,造成围岩应力重分布和集中,而且还会因差异回弹而在围岩中形成一个被约束的残余应力体系。岩体的变形和破坏的发生正是由于应力状态的上述两个方面的变化引起的,下面介绍如何通过采用修正强度应力比法对其进行综合分析,实现预测岩爆发生位置及等级。 1工程概况 以笔者所在的向莆铁路棋盘石隧道为例,棋盘石隧道起于福建省尤溪县城关镇尤溪河岸,止于尤溪县台溪乡清溪村牛头洋。隧道全长10822m,DK404+340,DK405+906,DK406+613,DK406+882两段的埋深678>H?387,属于高应力区, DK405+906,DK406+613埋深H?800m,属于极高地应力区,DK406+882,DK407+950,DK408+186,DK408+711,DK409+150,DK410+567等几段,隧道埋深H?216m,属于极高应力区,具体围岩物理力学参数见 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1。 表1 隧道岩体物理力学参数 岩石名称 风化、卸荷情况 容重γKN/m3) C(Mpa) Φ(?) E(GPa) μ 花岗岩 微新 27.4 0.9 50 15 0.25 弱风化下段、弱卸荷 27.1 0.7 47 8 0.22 弱风化上段、强卸荷 27.3 0.53 45 8 0.2 2隧道岩爆预测原理及方法 2.1传统强度应力比法原理 强度应力比法首先由挪威学者B.F.Rassens提出的,其内容包含两个方面的工作,一是隧道围岩实际所受应力;二是围岩岩石本身的强度。隧道围岩岩石强度由地质资料及现场试验获得,而实际受力可根据理论计算得到并经有限元模拟分析复核,对于圆形隧道水平向和垂直向应力不等时围岩应力利用式2-1计算。 (2-1) 式中, 分别为围岩应力(MPa); 为垂直向初始地应力(MPa); 为水平向初始地应力与垂直向初始地应力之比及侧压力系数;r和r0分别为计算点极径和隧道半径; 为极角。 当 =1时,式(2-1)计算出的围岩应力即为主应力。否则计算出 后,再利用式(2-2)至式(2-4)计算主应力 。 (2-2) (2-3) (2-4) 式中: ——围岩泊松比。 由于岩爆是从隧道边壁开始产生的,此时r=r0,则有 (2-5) 利用以上各式计算出主应力后,再按式(2-6)计算应力强度比Wb。 (2-6) 式中: ——岩石饱和单轴抗压强度(MPa)。 2.2修正的应力强度比法 由于隧道围岩应是处于真三轴应力状态或叫双轴应力状态,边壁法向应力为零,其余两个主应力不相等,为了更为客观地反映围岩的实际情况,因隧道均质围岩变形为平面应变问题,对传统的应力强度比方法进行修正,其公式如下: 隧道围岩边壁: (2-7) 隧道围岩内部: (2-8) 式中, 由下式计算: (2-9) (2-10) 式中: ——岩石单轴抗压强度和, ——与 相当的围压条件下的常规三轴抗压强度, ——泊松比。 根据应力强度比的大小判定围岩产生岩爆的危险性和程度,其 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 如下: 当Wb<0.3时, 无岩爆; 当0.3?Wb<0.5时,弱岩爆; 当0.5?Wb<0.7时,中等岩爆; 当Wb?0.7时, 强岩爆。 2.3修正强度应力比法预测结果 隧道外形线是由多段曲线构成的复杂封闭曲线,实际分析可采用理论计算或有限元数值计算确定隧道围岩应力。 隧道围岩应力计算需要事先对隧道形状进行简化,为了计算简要将隧道简化成圆形,隧道半径采用实际隧道外接圆半径。隧道围岩间的次生应力叠加影响可以忽略不计,所以可以按单洞计算。由于隧道范围与埋深相比小得多,因此边界采用均布荷载,水平向和垂直向大小不同,其值根据有限元计算和实测拟合结果得到相应位置地应力大小综合确定。然后根据式(2-5)计算围岩切向即最大主应力,考虑σ2的影响,计算出促使围岩产生岩爆的应力,再利用岩爆准则判定 不同洞段隧道围岩产生岩爆的危险性和程度。岩爆需要具备内因和外因两方面的条件,除了围岩应力较高即外因具备外,还需要内因即岩石坚硬完整才可能产生岩爆,比如高地应力环境条件下的软岩,其应力强度比可能较大,但不会产生岩爆,可能的结果是产生大变形,因此在理论计算的围岩应力强度比基础上根据岩性及裂隙发育情况,对不同洞段围岩产生岩爆的危险性及程度进行了综合评价,其结果见表2。 表2 隧道开挖前主要断面洞壁最大主应力理论计算结果 埋深 /m 围岩边壁切向应力/MPa 断面最大应力/MPa 岩石强 度/MPa 应力强度 比指数Wb 应力强度比结果 综合评价 及根据 侧点 45?点 顶点 30 9.8 19.9 29.9 29.9 40 0.75 强岩爆 裂隙发育无岩爆 130 11.6 21.2 30.8 30.8 40 0.77 强岩爆 裂隙发育无岩爆 230 11.4 21.0 30.7 30.7 40 0.77 强岩爆 岩石完整中等岩爆 330 12.0 21.5 31.0 31.0 40 0.78 强岩爆 裂隙发育无岩爆 430 9.4 19.5 29.6 29.6 40 0.74 强岩爆 裂隙发育无岩爆 530 10.6 20.5 30.3 30.3 50 0.6 中等岩爆 岩石完整强岩爆 630 40.2 41.2 42.1 42.1 80 0.53 中等岩爆 岩石完整中等岩爆 730 40.5 41.4 42.3 42.3 80 0.53 中等岩爆 岩石完整强岩爆 830 36.9 38.7 40.5 40.5 80 0.51 中等岩爆 岩石完整强岩爆 计算出既定坐标下的应力分量后,因隧道左右对称,现仅就隧道 右侧典型部位边界附近的角点(A)、侧壁高2.5m(B)及4m(C)和7.3m (顶部D)的应力特征进行分析并采用有限元分析复核,见图1。 图1 应力分析点位置 表3 隧道开挖后典型断面最大应力及岩爆危险性 埋深/m 点位 应力分量/MPa 最大应 力/MPa 最大应 力/MPa 岩石强 度/MPa 应力强 度比Wb 岩爆程度 综合评价 σx σy τxy 200 A 35.2 1.3 -0.1 40.7 40.7 60 0.68 中等 岩爆 弱岩爆 B 14.0 9.3 -10.32 25.7 C -0.09 11.6 -2.9 14.0 D 14.0 9.3 -10.3 25.7 500 A 3.0 -0.1 82.0 84.0 84.0 60.0 1.4 强岩爆 中等 岩爆 B 22.6 -24.7 52.6 56.2 C 30.1 -7.1 30.0 50.3 D 22.62 -24.7 52.6 56.2 800 A 38.2 -0.5 -0.1 43.9 85.6 80.0 1.07 强岩爆 强岩爆 B 26.8 31.4 -25.9 63.9 C 4.1 73.7 4.1 85.6 D 26.8 31.4 -25.9 63.9 3有限元分析复核 有限元分析是力学分析的主要手段,通过计算机软件分析可以计算出岩体开挖后体内代表点的各应力分量,进而计算隧道边壁附近的最大主应力及促使围岩产生岩爆的动力,对理论计算结果进行复核。 3.1二维计算模型和边界条件 按平面应变计算,只取单位厚度建模型,开挖前、后的模型如图2和图3所示。根据隧道围岩级别和埋深,选取了九个坚硬完整、裂隙较发育和裂隙发育围岩洞段的典型剖面进行计算,计算模型的范围为:水平X方向宽100m,竖直Y方向高100m,开挖前的单元数为225个、节点数为1792个,开挖后的单元数为200个、节点数为1680个。模型左侧及底部法向约束,顶部和右侧施加荷载,荷载大小由小模型计算相应位置地应力结果和实测地应力分析结果综合确定,确定的边界应力见表4。 图2开挖前的计算模型 图3开挖后的计算模型 表4 数值计算模型边界荷载 埋深(m) 岩性名称 σH (MPa) σv (MPa) λ 200 花岗岩 15.7 17.3 1.74 500 花岗岩 26.8 21 1.05 800 花岗岩 23.6 31.1 0.76 3.2有限元计算结果 有限元计算绘制的的应力分量等值线见图4至图9。由于单元几何上有一定大小,确定的应力不在隧道边界上而是离边界一定深度,并且剪应力不为零。隧道开挖未考虑其过程,图中角点应力分布异常是边界效应。 图4埋深200米剖面σx等值线 图5埋深200米剖面σy等值线 图6埋深500米剖面σx等值线 图7埋深500米剖面σy等值线 图8埋深800米剖面σx等值线 图9埋深800米剖面σy等值线 通过有限元数值模拟分析复核,结果与修正强度应力比法预测数据基本吻合,说明通过此方法可以比较准确的反映隧道围岩岩爆发生可能性。 4结语 由于岩体及各种地质影响因素复杂,岩爆问题至今仍是岩石力学世界难题之一,利用修正强度应力比法可以比较准确的预测岩爆发生的位置、烈度等,有助于指导施工现场采用有针对性的防治措施,防止岩爆发生或降低岩爆烈度级别。 参考文献: [1]邱道宏,陈剑平,张秉鹤,肖云华.深埋长大公路隧道岩爆预测及防治研究[J].地下空间与工程学报,2006(06) [2]刘立鹏.锦屏二级水电站施工排水洞岩爆问题研究[D].北京:中国地质大学2011:1-171 [3]刘建忠.深埋隧洞围岩应力分析及岩爆预测[J].山西建筑,2012(14) [4]黄国涛.秦岭翠华山特长隧道全程岩爆预测及防治技术研究[D].西安:西安建筑科技大学,2013:1-58
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