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岩体强度理论和岩体力学参数的确定是岩体力学的基本问题,在岩石力学的研究中一直占有相当重要的地位。随着隧道工程日益普遍,其规模正以前所未有的速度发展,而隧道工程往往体积庞大,赋存的地质条件复杂多变,近年来呈现埋藏深,长度长,地应力高的特点,破坏判据的准确把握和岩体力学参数的准确取值对于隧道围岩的稳定性分析显得尤为重要,直接关系到工程建设的成败。目前应用较为广泛的破坏判据是Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则。Mohr-Coulomb准则是基于材料力学、弹塑性力学的知识体系,以严谨的数学方法建立的,是目前应用最为广泛的的判据,几乎所有的岩体和土体稳定性分析数值模拟软件都采用该判据;Hoek-Brown准则针对理论强度准则,尤其是Mohr-Coulomb准则的缺陷,以试验为主要研究手段研究岩体强度破坏特征而提出得岩体的经验强度准则。隧道围岩力学参数的选取中,由于隧道围岩中结构面的存在,以及水、风化等外营力的作用,隧道围岩的力学行为与岩石试块所表现的力学行为之间存在很大的差异。故要考虑岩石与岩体的这种差异而进行工程处理,这样隧道围岩稳定分析性结果才更接近于实际情况。
湖北沪蓉西高速公路扁担垭隧道为沪蓉西高速公路的控制性工程,埋藏深、长度大,工程地质条件较为复杂,赋存高地应力,节理化岩体较为发育,隧道施工过程中围岩塌方、大变形问题突出。本文以湖北沪蓉西扁担垭隧道为研究对象,研究基于GSI围岩分级系统来确定隧道围岩力学参数,以及针对Hoek-Brown准则和Mohr-Coulomb准则在深埋长隧道围岩稳定性分析进行研究具有一定的代表性。本文所研究内容及获得的结论主要包括以下几个方面:
(1)GSI围岩分级系统中,GSI值是根据岩体所处的地质环境、岩体结构特性和表面特性来确定的,很好的反映了工程岩体的特征。目前GSI围岩分级方法是唯一一种直接与Mohr-Coulomb破坏准则、霍克-布朗破坏准则和岩体模量相联系的。本文采用基于岩体体积节理数Jv和结构面条件因子Jc的量化的GSI围岩分级系统确定隧道围岩力学参数,提高了其取值的精确性和减少对经验的依赖,有利于更加客观准确的估计出隧道围岩参数。这种方法周期短,方便易行,在工程实践中可操作性强。
(2)在国内,Hoek-Brown准则在数值模拟方面的应用还较少,本文在FLAC中实现了Hoek-Brown准则的本构模块,并应用Hoek-Brown准则应用数值模拟法分析隧道围岩稳定性与变形特征。
(3)强度准则的选取对于工程设计具有十分重要的意义,本文基于数值法分析Hoek-Brown准则和Mohr-Coulomb准则在隧道围岩稳定性分析中的适用性。在扁担垭隧道中,基于两种准则计算得到的应力分布规律与塑性区分布基本一致。但基于Hoek-Brown准则所得到的水平方向和竖直方向位移明显比Mohr-Coulomb准则所得到的结果要大,尤其是在高应力区和极高应力区,前者大致为后者的3倍,在中低应力区,基于Hoek-Brown准则得到的位移值与基于Mohr-Coulomb准则得到的计算结果吻合度较高。Hoek-Brown准则综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多种因素的影响,能动态地反映岩体破坏时的力学行为,较Mohr-Coulomb准则适用性要好,较适宜节理化岩体发育的隧道围岩稳定性评价。
Mohr-Coulomb准则属于线性判据,不能动态地反映岩体破坏时的力学行为,Hoek-Brown准则属于非线性判据,综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多种因素的影响,弥补了Mohr-Coulomb准则在模拟岩体破坏中的不足,较适宜节理化岩体发育的隧道围岩稳定性评价。