流固耦合效应下隧道挤压性围岩本构模型研究

Squeezing rock can be defined as the rock under high stress conditions and lost most of its original strength due to extensive shearing, it is widely distributed in China. Most of previous research work and engineering design practice considers the ground as a linearly elastic, perfectly plastic material obeying the Mohr-Coulomb yield criterion (hereafter referred as to “MC model”). However, the widely used MC model is unable to accurately predict some mechanical characteristics of the squeezing rock. Scholars have proposed some alternative models for the squeezing ground. In the meantime, the hydro-mechanical coupling effect has a great influence on the stress-strain relationship of the squeezing rock, therefore it is of vital importance to consider this effect in the selection of the constitutive models for the squeezing rock. Up to now, few scholars have studied the influence of the constitutive model on the prediction of surrounding rock deformation considering the hydro-mechanical coupling effect. This thesis will investigate the deformation mechanism of the surrounding rock; The accuracy and capability of the MC model will be evaluated by means of comparison and analysis of the ground response curve using two different constitutive models. Based on the calculation results, the appropriate way for selecting or correcting (if necessary) the model parameters will be investigated. The aim is to have a more reasonable prediction results by using the widely used MC model without introducing additional calculation difficulty for the engineering designers.

挤压性围岩是指在高地应力条件下，受到强烈剪切作用以至于失去大部分自身强度的围岩，其广泛分布于我国的各种隧道中，围岩的挤压性大变形会对隧道结构的稳定和安全提出巨大的挑战。目前广泛使用的摩尔库伦本构模型（MC模型）不能很好的反映挤压性围岩的力学及变形特性，在围岩隧道开挖变形的计算中带来不确定性，已有学者针对挤压性围岩提出了替代模型。大量研究表明，流固耦合效应对于挤压性围岩的应力应变关系影响显著，考虑该效应对于本构模型的合理选取以及变形量计算结果的准确计算至关重要。然而，鲜有学者在考虑流固耦合效应的前提下针对挤压性围岩的本构模型进行深入的研究。本研究将在考虑流固耦合效应的基础上，研究挤压性围岩变形机理；通过分析对比两种本构模型的围岩特征曲线，综合评价各模型预测围岩变形的适应性；通过对MC模型的参数进行合理优化，在不增加工程人员计算困难的前提下，对于挤压性围岩隧道的开挖变形量做出更合理准确的预测。

本课题通过单轴压缩、三轴压缩、单轴蠕变、声发射等试验，在深入了解以泥岩、页岩、千枚岩为代表的挤压性软岩的物理力学特性的基础上，重点研究了围岩挤压大变形的变形机理及其随时间变化的规律。对不同本构模型下的围岩特征曲线计算进行了相关研究，主要取得了以下成果：侏罗系泥质砂岩的强度、弹性模量和内摩擦角远高于白垩系泥质砂岩，二者的泊松比、粘聚力相差不大。在长期荷载作用下，二者的强度明显降低，变形增大。在TBM停机后，盾壳所受的摩擦阻力经历了一个缓慢增长-快速增长-稳定的阶段。TBM在白垩系泥质砂岩地层中停机时，盾壳与围岩接触的时间更早，TBM在白垩系泥质砂岩地层中发生卡机的时间更早。在TBM停机后，盾壳越长，盾壳所受的摩擦阻力越大，超挖量越大，盾壳所受的摩擦阻力越小。根据数值计算结果，得出各工况下TBM预防卡机的额定推力最小设计值以及TBM预防卡机的安全停机时间，可为实际工程提供参考；为进一步深入探究千枚岩地层失稳破坏模式，针对不同工况下的千枚岩物理力学性质进行了总结归纳，结合相关工程研究岩层倾角、岩层厚度以及埋深等因素对倾斜岩层破坏机理的影响，研究表明随着倾角的变化，节理岩层的破坏模式由压弯破坏为主逐渐演变为剪切滑移破坏为主；节理岩层层厚在0.5-2m时，表现出明显的各向异性，但当层厚大于2m后，节理岩层的变形不再明显，围岩的稳定性增强；得出了基于SHS本构模型的围岩特征曲线半解析解。该半解析解可以在脱离第三方商业有限元程序的情况下，快速的进行围岩收敛特征曲线的计算，大大提高了工作效率。同时，在传统的MC模型中引入弹性模量随围压变化的幂律关系，提出NLMC模型，并基于NLMC模型推导了深埋圆形隧道收敛解析解。通过NLMC模型与MC模型的对比研究了弹性模量的围压依赖性对围岩应力及变形的影响。