基于非线性能量耗散理论的地下硐室稳定性研究

Underground chamber, an important part of underground engineering, plays a significant role in the field of mining, traffic engineering and national defense. The stability of underground chamber is a hotspot and difficulty to the researcher. The stability of the underground chamber can be analyzed with nonlinear energy dissipation theory of limit analysis and structural reliability theory with multiple correlated failure modes in this project.And the failure mechanism of underground chambers in two-dimensional and three-dimensional can construct, the upper bound solution and the lower bound solution of the collapse pressure by nonlinear failure criterion can be solved. According to the relations of supporting reaction and the actual supporting force, the ultimate failure state equation will be obtained. Based on the instability condition, the instability criterion of underground chamber can be obtained based on nonlinear failure criterion and multiple failure modes. Using the maximum entropy principle, the statistical characteristics of parameters can be obtained. Based on the criterion of instability with multiple correlated failure modes, structural system reliability model of underground chambers can be established, and the upper bound solution and the lower bound solution of structural reliability of underground chambers can be calculated. On the basis of evaluation to stability of underground chamber structure and analysis to the sensitivity of parameter, the main reasons affecting the reliability of structure and stability of surrounding rocks can be put forward, which can provide theoretical guidance for stability analysis and safety evaluation to underground chamber. It has important theoretical and practical significance for the design and development to underground chambers.

地下硐室作为地下工程的一个重要组成部分，在矿山、交通、国防等工程领域发挥着重要作用。地下硐室稳定性问题一直是学者们所关注的热点和难点。本项目运用极限分析非线性能量耗散理论与多失效模式相关下的结构可靠性理论分析地下硐室的稳定性问题。构建地下硐室二维、三维破坏机制，求解非线性破坏准则下的围岩压力上、下限解；根据支护反力与实际支护力的关系，构建极限破坏状态方程；根据失稳条件分别建立基于非线性破坏准则下与多失效模式相关下的地下硐室失稳破坏判别准则；根据最大熵原理分析参数的离散性，获得各参数的统计特征；根据多失效模式相关下的失稳破坏判别准则，建立地下硐室结构体系可靠度模型，计算地下硐室结构可靠度的上、下限值，对地下硐室结构进行稳定性评价，对参数进行敏感性分析，得到影响结构可靠度和围岩稳定性的主要原因，为地为地下硐室稳定性分析、安全性评价提供理论指导。这对地下硐室的设计和发展具有重要的理论与现实意义。

围岩结构的安全性是确保地下硐室发挥工程应用价值的关键。本项目通过能量耗散理论构建了地下硐室围岩变形破坏力学机制，应用机动许可速度场理论推导了地下硐室围岩压力解析解。采用“切线法”将非线性破坏准则引入地下硐室能量耗散分析中，研究了非线性破坏准则对围岩压力的影响，在非线性Mohr-Coulomb破坏准则下，随着非线性系数以及单轴抗拉强度的增大，围岩压力增大；随着初始黏聚力增大，围岩压力减小；在Hoek-Brown破坏准则下，随着地质强度指标、岩体常数以及单轴抗压强度的增大，围岩压力减小；而随着扰动因子的增大，围岩压力增大；在非线性Baker破坏准则下，围岩压力随着参数A和n的增加逐渐减小，围岩压力随着参数T的增加逐渐增大。鉴于参数的随机性和离散性，基于最大熵原理统计了参数分布特征，考虑地下硐室顶板塌落和两帮片帮两种破坏模式，运用可靠度理论构建了地下硐室结构体系可靠度分析模型；研究表明随着参数变异系数增大，深埋硐室可靠度减小；单一失效模式下计算结果会高估深埋硐室结构可靠度，多失效模式不相关下计算结果会低估深埋硐室可靠度，而多失效模式相关下的计算结果最为准确合理。基于岩土材料非线性破坏特征与地下水耦合作用，运用能量耗散理论分析了非线性准则参数和水力参数对隧道围岩压力和破裂范围的影响规律，发现对于反映岩土材料强度较好的非线性参数，隧道围岩压力较小，且破裂范围较小；对于反映水力作用强弱的孔隙水压力系数和水位线高度，隧道围岩压力和破裂范围随其增大而增大。为了研究土体非均质性和各向异性对隧道掌子面稳定性的影响，分别构建线性分布黏聚力和等效均质黏聚力条件下三维隧道掌子面破坏机制，结果表明隧道埋深比为0.75是上述两种情况的围岩压力大小差异的分界点；当非均质参数增大时，围岩压力比线性减小；当各向异性增大时，围岩压力增大，破坏范围变化不明显。本项目的研究对于地下硐室围岩极限破坏荷载的理论计算以及安全性评估具有重要科学价值和工程意义。