地下洞室节理围岩稳定性及支护优化离散元分析

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1、地下洞室节理围岩稳定性及支护优化的离散元分析Discreteelementstudyonthestabilityandsupportmeasuresofjointedsurroundingrockofundergroundcavern学科专业：水利工程研究生：时昀指导教师：张社荣教授天津大学建筑工程学院二零一二年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何

2、贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要工程岩体中普遍存在大量的软弱结构面，这些结构面使岩体的完整性及均匀性受到不同程度的破坏，不仅削弱了岩体的力学强度，还控制着岩体的变形、破坏机理

3、等，直接影响地下工程的设计、施工及其稳定性。本文以西部某电站的导流隧洞为分析对象，基于离散元法，从节理特性（倾角、连通率）、侧压力系数两大方面对地下洞室围岩稳定性的影响进行了深入研究，并对V类围岩中支护措施的优化方法进行了一定的总结，主要研究工作如下：（1）研究了含单组节理的层状岩体中，结构面倾角对节理围岩稳定性的影响，数值分析表明随倾角的增大，洞周应力分布非对称性增强，洞室拱顶及边墙的位移显著增大，对洞室底部围岩有利，但对边墙不利。针对位于含两组交叉节理的岩体中的洞室开挖进行模拟，结果表明交叉节理对围岩稳定性的影响与单一节理组的影响规律基本一致，在含有一组垂直结构面的岩体中开

4、挖洞室围岩稳定性最差。岩体的节理连通率对围岩稳定性有明显的影响，对比连通节理模型和非连通节理模型的数值分析结果，非连通节理模型分析得到的围岩稳定性较强，围岩的破坏范围也较连通节理模型的小。（2）探讨了在不同侧压力系数下，洞室开挖对节理岩体中洞室围岩变形及受力特征的影响。在无支护措施下，水平地应力的增加，会使节理滑移区面积增大，对洞室稳定性十分不利。且当侧压力系数较大时，洞室边墙出现受拉区，因此，在对水平地应力较大的岩体中开挖洞室，除顶拱上方的岩体外，还应密切关注洞室边墙围岩的稳定性，适当加强边墙的支护措施。（3）对节理岩体中洞室的支护时机及支护措施进行了规律性分析，总结了V类围

5、岩中支护措施优化的方法。对节理岩体进行开挖，应合理确定洞室施工的支护时机及支护措施，并考虑其相互影响。在破碎岩体中，或者在洞室开挖后应力释放率较小的情况下立即支护；或者将衬砌厚度适当加厚，提高衬砌承载力从而推迟支护时机，才能保证围岩不造成大面积松散破坏。锚杆作为柔性支护措施，应在洞室开挖后立即施加，因为锚杆不仅可承受围岩应力，还可提高节理岩体的整体性。关键词：地下洞室，离散元法，节理岩体，围岩稳定，支护优化ABSTRACTThenaturerockmassisusuallydividedintoseveralpartsbyweakstructureplanes,whichnot

6、onlymakesthemechanicalpropertiesofrockhasbeengreatlyweakened,butalsoplaysaleadingroleindeformationanddamagemechanismofrock.Therefore,thedesign,constructionandstabilityofundergroundstructureshouldtakeaccountofthejointsintherock.Inthisthesis,basedonthediversiontunnelforahydropowerstationinwest

7、ernpartofChina,simulatingthetunnelexcavationinjointedrockbyDEM(DiscreteElementMethod),separatelyanalyzingtheinfluenceofjointcharacteristicsandlateralpressurecoefficientonthestabilityofthecavern.Alsohasastudyontheoptimizationforsupportstructureofcat