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軟巖特性及輸水隧洞支護效果研究:以寧夏固原飲水安全水源工程為例 版權信息
- ISBN：9787030690524
- 條形碼：9787030690524 ; 978-7-03-069052-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
軟巖特性及輸水隧洞支護效果研究:以寧夏固原飲水安全水源工程為例 內容簡介
本書針對工程軟巖引起的隧洞安全與穩定問題，以寧夏固原飲水安全水源工程輸水隧洞為研究對象，采用試驗研究和數值模擬相結合的研究方法，研究了輸水隧洞軟巖的微觀成分與結構、物理性質、水理性質、常規力學性質、本構關系和流變力學特性，分析了輸水隧洞支護前后應力、應變和塑性區的特征，評價了隧洞的支護效果，得出了不同圍巖類別中鋼拱架較優的支護間距，為工程防災減災提供科學依據。全書共分9章，主要內容包括：軟巖類型及其成分特征、軟巖物理力學性質、軟巖本構關系、軟巖流變力學特性、軟巖輸水隧洞支護效果研究等。
軟巖特性及輸水隧洞支護效果研究:以寧夏固原飲水安全水源工程為例 目錄
目錄
前言
第1章緒論
1.1研究意義 1
1.2國內外研究現狀 2
1.2.1軟巖水理性質試驗研究現狀 2
1.2.2軟巖常規力學性質研究現狀 4
1.2.3軟巖本構關系研究現狀 8
1.2.4軟巖流變力學特性研究現狀 10
1.2.5軟巖隧洞支護模擬研究現狀 13
1.3研究中存在的不足 16
1.4本書主要內容 16
第2章研究區軟巖類型及其成分特征 18
2.1巖石類型 18
2.1.1灰質泥巖 18
2.1.2磚紅色含礫不等粒砂質泥巖 29
2.1.3鈣質膠結礫質巖屑長石砂巖 32
2.2研究區軟巖成分對其工程性質影響分析 34
第3章研究區軟巖物理力學性質試驗研究 36
3.1灰質泥巖物理力學性質試驗研究 36
3.1.1物理性質試驗 36
3.1.2膨脹性試驗 41
3.1.3耐崩解性試驗 48
3.1.4單軸壓縮試驗 55
3.1.5三軸壓縮試驗 61
3.2ZK1-1砂質泥巖物理力學性質試驗研究 66
3.3ZK1-2長石砂巖物理力學性質試驗研究 69
3.4ZK1-3灰質泥巖物理力學性質試驗研究 73
第4章軟巖本構關系研究 78
4.1巖石材料彈性理論本構關系研究 78
4.1.1線彈性本構關系 79
4.1.2超彈性本構關系 80
4.1.3亞彈性本構關系 81
4.2巖石材料塑性理論本構關系研究 81
4.2.1巖石材料的屈服面和后繼屈服面 82
4.2.2常用的屈服準則 83
4.2.3彈塑性材料的硬化規律 84
4.2.4加卸載準則 86
4.3軟巖線性本構關系研究 87
4.3.1三線性和四線性本構關系 87
4.3.2五線性本構關系 88
4.4軟巖非線性本構關系研究 93
第5章軟巖流變力學特性試驗研究 98
5.1灰質泥巖流變力學特性試驗研究 98
5.1.1試驗設備 98
5.1.2試驗方案 100
5.1.3試驗方法 101
5.1.4試驗結果 103
5.1.5灰質泥巖流變規律分析 111
5.2ZK1-1砂質泥巖流變力學特性試驗研究 112
5.2.1試樣制備 113
5.2.2試驗設備 113
5.2.3試驗方法 114
5.2.4試驗結果 114
5.2.5砂質泥巖流變規律分析 116
第6章隧洞工程地質條件 117
6.1地形地貌 119
6.2地層巖性 119
6.3地質構造 120
6.4物理地質現象 123
6.5水文地質特征 123
第7章隧洞數值計算分析方案 126
7.1數值計算方法 126
7.1.1基本概念定義 127
7.1.2基本原理與步驟 128
7.2計算段選取及模型建立 132
7.3 地應力參數設置 134
7.4 本構模型及計算參數選取 134
7.5 計算工況 135
第8 章軟巖隧洞應力應變分布特征與支護效果研究 136
8.1 天然狀態(隧洞未開挖)工況 136
8.2 隧洞開挖未支護工況 138
8.2.1 應力場分析 138
8.2.2 位移場分析 144
8.2.3 塑性區分析 152
8.3 隧洞開挖支護后工況 154
8.3.1 應力場分析 154
8.3.2 位移場分析 160
8.3.3 塑性區分析 169
8.4 鋼拱架間距優化分析 171
8.4.1 N2 類圍巖 171
8.4.2 V 類圍巖 174
8.5 隧洞支護效果分析 178
第9 章結論 180
參考文獻 184
前言
第1章緒論
1.1研究意義 1
1.2國內外研究現狀 2
1.2.1軟巖水理性質試驗研究現狀 2
1.2.2軟巖常規力學性質研究現狀 4
1.2.3軟巖本構關系研究現狀 8
1.2.4軟巖流變力學特性研究現狀 10
1.2.5軟巖隧洞支護模擬研究現狀 13
1.3研究中存在的不足 16
1.4本書主要內容 16
第2章研究區軟巖類型及其成分特征 18
2.1巖石類型 18
2.1.1灰質泥巖 18
2.1.2磚紅色含礫不等粒砂質泥巖 29
2.1.3鈣質膠結礫質巖屑長石砂巖 32
2.2研究區軟巖成分對其工程性質影響分析 34
第3章研究區軟巖物理力學性質試驗研究 36
3.1灰質泥巖物理力學性質試驗研究 36
3.1.1物理性質試驗 36
3.1.2膨脹性試驗 41
3.1.3耐崩解性試驗 48
3.1.4單軸壓縮試驗 55
3.1.5三軸壓縮試驗 61
3.2ZK1-1砂質泥巖物理力學性質試驗研究 66
3.3ZK1-2長石砂巖物理力學性質試驗研究 69
3.4ZK1-3灰質泥巖物理力學性質試驗研究 73
第4章軟巖本構關系研究 78
4.1巖石材料彈性理論本構關系研究 78
4.1.1線彈性本構關系 79
4.1.2超彈性本構關系 80
4.1.3亞彈性本構關系 81
4.2巖石材料塑性理論本構關系研究 81
4.2.1巖石材料的屈服面和后繼屈服面 82
4.2.2常用的屈服準則 83
4.2.3彈塑性材料的硬化規律 84
4.2.4加卸載準則 86
4.3軟巖線性本構關系研究 87
4.3.1三線性和四線性本構關系 87
4.3.2五線性本構關系 88
4.4軟巖非線性本構關系研究 93
第5章軟巖流變力學特性試驗研究 98
5.1灰質泥巖流變力學特性試驗研究 98
5.1.1試驗設備 98
5.1.2試驗方案 100
5.1.3試驗方法 101
5.1.4試驗結果 103
5.1.5灰質泥巖流變規律分析 111
5.2ZK1-1砂質泥巖流變力學特性試驗研究 112
5.2.1試樣制備 113
5.2.2試驗設備 113
5.2.3試驗方法 114
5.2.4試驗結果 114
5.2.5砂質泥巖流變規律分析 116
第6章隧洞工程地質條件 117
6.1地形地貌 119
6.2地層巖性 119
6.3地質構造 120
6.4物理地質現象 123
6.5水文地質特征 123
第7章隧洞數值計算分析方案 126
7.1數值計算方法 126
7.1.1基本概念定義 127
7.1.2基本原理與步驟 128
7.2計算段選取及模型建立 132
7.3 地應力參數設置 134
7.4 本構模型及計算參數選取 134
7.5 計算工況 135
第8 章軟巖隧洞應力應變分布特征與支護效果研究 136
8.1 天然狀態(隧洞未開挖)工況 136
8.2 隧洞開挖未支護工況 138
8.2.1 應力場分析 138
8.2.2 位移場分析 144
8.2.3 塑性區分析 152
8.3 隧洞開挖支護后工況 154
8.3.1 應力場分析 154
8.3.2 位移場分析 160
8.3.3 塑性區分析 169
8.4 鋼拱架間距優化分析 171
8.4.1 N2 類圍巖 171
8.4.2 V 類圍巖 174
8.5 隧洞支護效果分析 178
第9 章結論 180
參考文獻 184
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軟巖特性及輸水隧洞支護效果研究:以寧夏固原飲水安全水源工程為例 節選
第1章緒論 1.1研究意義 軟巖是地球表面分布*為廣泛的一種巖石，其中泥巖和頁巖就占地表出露巖石的50%左右。我國軟巖分布范圍很廣，在云貴高原、湘瀏盆地、四川盆地、甘肅東北部、東南沿海和東北地區都有軟巖成片或零星分布，在建筑、交通、水電、礦山等工程建設中都會遇到軟巖。軟巖是一種在特定環境下形成的具有顯著變形性質的復雜力學介質，具有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性、大變形等特點。軟巖問題在20世紀60年代就作為世界性的難題被提出來，一直是困擾生產和工程建設的重大難題之一，也是工程地質和巖體力學研究領域的重要課題之一［1］。 隨著我國工程建設大規模開展，如地下空間的開發利用、大型水利水電工程的興建、深部礦體的開采，以及核能工程的建設等，工程建設中必將遇到更多軟巖問題，在工程設計和施工中只有充分考慮軟巖的力學特性，才能確保工程的長期穩定和安全。因此，深入開展軟巖特性的試驗、理論及應用研究，變得十分重要和迫切。 寧夏固原地區（寧夏中南部）城鄉飲水安全水源工程（簡稱“寧夏固原飲水安全水源工程”），是將寧夏固原地區南部六盤山東麓雨量較多、水量相對較豐沛的涇河流域地表水經攔截、調蓄，向北輸送到固原中北部干旱缺水地區的區域性水資源優化配置工程。建設該工程，可將水質優良的涇河水資源調入寧夏中部干旱帶和南部干旱山區，解決中南部地區部分城鄉居民的飲用水源問題，改善當地群眾的生活條件，保障城鄉供水安全，提高生活水平，對促進當地經濟社會進一步發展、民族團結和社會穩定、建設社會主義新農村具有重要意義［2］。 該工程輸水隧洞有11座，總長達35.750km，是控制工程投資、進度和安全的關鍵部分。這些輸水隧洞穿越地區地層主要為白堊系、第三系和第四系。其中，穿過白堊系泥巖夾泥灰巖隧洞9條，總長34.13km；第三系泥巖、砂質泥巖、泥質砂巖分布于1#隧洞前段，長度1.10km；第四系黃土洞2條，長度1.22km原工程報告中數據如此，長度有重疊。。白堊系灰質泥巖與第三系泥巖和砂質泥巖均屬軟巖，巖石親水性強，具有重塑性、脹縮性、崩解性、流變性和大變形等特點，施工過程中容易引起隧洞的失穩和破壞，并可能影響隧洞的長期穩定性。為此，針對工程軟巖引起的隧洞安全與穩定問題，通過試驗研究和數值模擬相結合的研究方法，開展寧夏固原飲水安全工程白堊系、第三系軟巖的物理力學性質試驗工作，在此基礎上研究軟巖隧洞應力應變特征和隧道支護效果，為工程的設計施工提供依據。 在水利水電工程建設過程中，尤其是長距離調水項目，不可避免地會遇到各種各樣的復雜地質體及軟弱破碎巖體，本書的研究工作除用于指導工程實踐外，其成果對其他類似工程也具有很好的參考借鑒價值。因此，寧夏固原飲水安全水源工程軟巖特性及輸水隧洞支護效果研究具有重要的工程實際價值。 1.2國內外研究現狀 1.2.1軟巖水理性質試驗研究現狀 巖石的水理性質一般是指水與巖石作用引起巖石的物理性質發生變化的一些特性，主要包括滲透性、膨脹性、耐崩解性和軟化性等。這里僅介紹軟巖的膨脹性和耐崩解性研究現狀。 在軟巖的膨脹性研究方面，Huang等［3］通過側向約束試驗，得出了*大膨脹壓力與相對濕度和濕度活性指數的關系模型，并繪制了一系列濕度與膨脹壓力的關系曲線，用以預測*大膨脹壓力。張鳳翔等［4］系統介紹了軟巖膨脹應力、膨脹率試驗工作原理及其測定方法，并根據實測數據研究了影響膨脹特性的各種因素。傅學敏等［5］通過大量的試驗，探討了軟巖（泥巖、砂質泥巖）膨脹過程的宏觀顯現規律。借助掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM），分析了膨脹過程中巖石內部顆粒結構的微觀變化特征，據此提出了軟巖膨脹的力學模型，并闡述了軟巖的膨脹機理。徐穎等［6］根據大量的軟巖膨脹性試驗成果，找出了軟巖膨脹應力與線膨脹率、線膨脹*終飽和含水率特性曲線，給出了泥質巖干燥飽和吸水率與蒙脫石含量特性曲線的相關分析結果，采用風干或烘干的不規則試件吸水率作為對膨脹巖判別和評價的依據。陳平貨等［7］針對南水北調中線工程總干渠Ⅱ渠段上第三系軟巖分布的渠段，取代表性巖樣試驗，對上第三系軟巖工程地質特性進行分析，論述了巖石的膨脹性對工程的危害。劉信勇等［8］對瑪柯河為南水北調西線一期工程壩址段巖體蓄水后的膨脹性做出預測，并對影響膨脹指標間的因素做總結分析，根據軟巖膨脹分級標準判斷試驗板巖屬于非膨脹性巖石。汪亦顯等［9］對膨脹性軟巖雙扭試件進行相同pH溶液（pH=7.7）、不同浸泡時間的亞臨界裂紋擴展和膨脹特性進行試驗研究，分別得到膨脹性軟巖亞臨界裂紋擴展速度v與應力強度因子KI之間的關系、膨脹性軟巖的斷裂韌度KIC，以及不同浸泡時間下的巖石試樣吸水膨脹的變化。于春江等［10］系統分析了膨脹性和非膨脹性泥巖物質組成和結構、物理性質、強度特性等物理力學特性，通過自由膨脹率試驗，研究了不同風化程度和種類的泥巖膨脹特性，試驗結果表明，馬巢高速公路沿線泥巖大都屬于非膨脹性土，且隨著泥巖風化程度的減弱，泥巖自由膨脹率呈現遞減規律，但數值差別很小，故泥巖可作為路基填料。明建［11］針對魯中礦業有限公司張家洼鐵礦的矽卡巖和紅板巖這兩類軟巖，采用同等條件下干濕交替的循環試驗方法，進行了膨脹變形特性和釋放規律的試驗研究。柴肇云等［12］采用自主開發研制的軟巖膨脹試驗裝置，對新生代煤系地層中泥質巖進行膨脹試驗研究，分析了泥質巖膨脹各向異性以及循環脹縮特性，并結合SEM試驗結果，探討了膨脹各向異性和循環脹縮特性的形成機制。 在軟巖的耐崩解性研究方面，Lin［13］、Qi等［14］通過X射線熒光光譜儀（X-ray fluorescence spectrometer， XRFS）、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀（X-ray diffractometer，XRD）和能量色散X射線分析技術（energy dispersive X-ray analysis technique，EDXAT），從元素、晶體結構和顆粒形態等角度分析了泥巖遇水時的水化崩解特性及原因。蘇永華等［15］在室內崩解試驗和大氣條件模擬的漸進崩解試驗中，通過跟蹤崩解過程碎屑物的顆粒級別變化發現，軟巖膨脹崩解過程是一個多重分形過程。顏文等［16］通過對軟質巖所含黏土礦物成分類型及含量、崩解和軟化特性的試驗研究，分析了水對軟質巖填筑路基穩定性的影響程度，研究結果對類似軟巖填筑路基的適用性具有重要的參考價值。曹運江等［17］研究了岷江上游某水電站工程邊坡F3斷層和L9、L10、Lc、L11等軟弱帶內所發育的幾種典型軟巖巖組的崩解特性，獲知該類軟巖極易吸水，遇水后發生泥化、軟化和崩解；并通過循環崩解試驗，發現工程區內軟巖的崩解度與泥質含量和崩解次數具有很好的相關性。康天合等［18］通過對黏土礦物成分以高嶺石和蒙脫石為主的兩種軟巖崩解特性的對比試驗，運用分形幾何理論分析了不同初始塊度和循環崩解次數的兩種軟巖崩解顆粒的粒徑分布特性，并就這兩種軟巖的崩解特性差異進行了探討。吳道祥等［19］針對紅層軟巖遇水易軟化、崩解的特點，以銅陵—黃山高速公路湯口—屯溪段沿線的紅層軟巖為例，選取該路段沿線具有代表性的兩類巖樣（砂巖和泥巖）進行室內浸水崩解試驗，分析軟巖崩解過程的顆粒級配變化情況，并對比分析其崩解性能，將崩解性由強至弱劃分為強崩解、中崩解、弱崩解和不崩解四個等級。錢自衛等［20］對巨野煤田深部煤系軟巖遇水崩解的宏觀特征及微觀機理進行了分析研究。研究發現，軟巖水穩性較差，在浸水后30min內即開始崩解；巖樣黏土礦物以高嶺石及蒙伊混層為主，結構上表現為明顯的疏松性及定向排列性。王金安等［21］為研究內蒙古上海廟礦區煤系地層水巖作用特性，進行了軟化、崩解試驗，分析巖石遇水后強度變化特點，了解質量與崩解次數的曲線特征關系，研究結果對礦井建設及軟巖巷道支護設計具有參考價值。鄒浩等［22］以金沙江中游某壩基軟巖為例，選取右岸壩基具有代表性的8塊泥質粉砂巖巖樣，分別進行干燥單軸抗壓強度試驗、室內干濕循環崩解和室外自然條件崩解試驗。試驗結果表明，干濕循環條件下巖樣的崩解要比自然條件下徹底；所取巖樣的初崩時間順序、*終崩解情況與干燥單軸抗壓強度、黏粒含量存在較好的相關性。黃楊勝［23］通過耐崩解試驗與室內靜態崩解試驗對石林隧道軟巖的崩解特性與機理進行了分析，研究得出石林隧道軟巖崩解的機理為黏土礦物的膨脹、表面吸附的楔裂以及礦物膠結的弱化。劉鶴等［24］針對軟巖遇水易崩解的特點，選取3組代表性巖樣開展了不同浸水時間及多次干濕循環室內崩解試驗，分析崩解過程的顆粒級配變化情況，研究耐崩解性指數變化規律；對比分析3組軟巖崩解性強度，并結合巖礦鑒定結果，探討軟巖崩解強度與礦物組成的關系。潘藝等［25］根據室內軟巖靜態崩解和軟巖碎片浸水試驗以及不同浸泡階段的軟巖的成分組構掃描電鏡觀察試驗，揭示了水-軟巖界面的細觀演化規律：軟巖碎片間泥質填充區中水-軟巖界面上的黏土顆粒在水作用下發生水化、擴散和流失，致使泥質膠結帶縮減，從而引起碎片間凝聚力下降。梁冰等［26］以阜新市海州露天礦粗礫砂巖、泥巖等4種弱崩解性軟巖為研究對象，進行干濕循環崩解試驗，結合試樣的SEM照片、礦物成分和物理指標研究崩解作用下4種軟巖的形態、靜態崩解指數和崩解比的變化規律。 1.2.2軟巖常規力學性質研究現狀 常規力學試驗一直是認識軟巖在復雜環境（如地下水豐富和地應力高）下力學性能的主要手段。常規力學試驗主要包括單軸、三軸、剪切等試驗，下面就這三方面試驗研究進展進行簡要論述。 在軟巖單軸力學性能研究方面，Rutter［27］和Glover等［28］開展了不同含水狀態下巖石的單軸壓縮試驗，結果表明巖石的各項力學性能指標都隨含水率的增加而降低。梁衛國等［29］針對巖鹽這一特殊性質的巖石，進行了基本的力學特性試驗，包括單軸壓縮等試驗。通過試驗發現，無水芒硝巖鹽是一種軟巖，強度較低，變形較大，在單軸壓縮變形破壞過程中，具有與普通巖石試件不同的四階段性特征。周翠英等［30］對華南地區廣為分布的紅色砂巖、泥巖及黑色炭質泥巖等幾種不同類型的典型軟巖進行了不同飽水狀態的力學性質測試，重點探討了軟巖軟化的力學規律。試驗對各類軟巖的天然狀態以及飽水1個月、3個月、6個月、12個月等的狀態進行采樣，測定不同飽水時間點的單軸抗壓強度等并分析其隨飽水時間的變化規律。彭柏興等［31］建立了湘瀏盆地紅層軟巖單軸天然抗壓強度R0與天然密度ρ0、彈性模量、旁壓特征參數Pf和EM，以及彈性縱波速度vp之間的相關方程。王立平等［32］通過對蘭州地區部分橋梁工程第三系軟巖的單軸抗壓強度試驗統計分析，總結出第三系軟巖的性質及變化規律。李尤嘉等［33］利用新型巖石細觀力學試驗系統，對石家莊—太原鐵路專線太行山隧道工程6#斜井的膏溶角礫巖在單軸壓縮荷載作用下的巖石細觀變化過程進行了實時觀測，得到不同含水狀態下巖石初始損傷微裂紋的萌生、擴展、連接、貫通直至宏觀破裂的數字顯微和全場實時圖像。閆小波等［34］以泥質粉砂巖和褐紅色泥巖為對象，研究單軸壓縮條件下軟巖干燥和飽和狀態時的各向異性力學特征，包括變形各向異性特征和強度各向異性特征。Erguler等［35］對黏土巖展開研究得出，黏土巖的彈性模量、抗拉強度和單軸抗壓強度隨含水率降低的衰減程度分別高達93%、90%、90%。路新景等［36］對中硬巖石和軟巖/硬土進行不同尺寸試件的單軸抗壓強度試驗研究，結果表明，中硬巖石破壞呈典型脆性劈裂破壞特征，軟巖/硬土呈現剪切破壞和部分碎裂破壞形式；無論硬巖還是軟巖/硬土，單軸抗壓強度的離散性與巖性和試件尺寸密切相關。劉新榮等［37］為了解芒硝的力學特性，在MTS815巖石伺服試驗機上對其進行了單軸壓縮試驗等力學試驗，并對其強度和變形特征進行了分析。分析表明，芒硝在單軸壓縮下表現應變軟化特性，且強度很低，屬于軟巖的范疇。南水北調中線工程安陽渠段在施工過程中露出大量第三系軟巖硬土，在開挖工程中對巖土界限，尤其是軟巖和硬巖界限
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