裂隙岩体注浆作用下变形与加固机理及应用

论文摘要

裂隙对岩体结构稳定性及力学性质的影响十分重要,裂隙岩体在注浆作用下的变形规律和加固性能对工程安全起到关键性的作用。在我国,裂隙岩体是诱发地下工程失稳和涌水的最关键因素之一,注浆作用下的裂隙岩体变形与加固机理成为亟待解决的重要科学问题。本文通过理论分析、数值模拟、室内试验与现场试验相结合的方法,获得裂隙岩体注浆过程中压力分布与岩体变形规律,提出了不同破坏模式与填充度下结构面抗剪强度计算方法,最终建立注浆加固后裂隙岩体强度计算模型,将研究成果应用到青岛地铁裂隙岩体注浆加固工程中,进行验证与完善,主要成果如下:（1）针对注浆作用下裂隙岩体变形规律,建立了流-固耦合浆液压力分布方程。根据卸载与重新加载两阶段理论,通过连续方程、质量守恒方程等关系推导裂隙岩体浆液扩散压力分布方程,并获得了裂隙岩体位移变形规律。对于单一裂隙,扩散距离随隙宽增大而逐渐增大,隙宽越小对注浆压力的敏感性越高。对于平行裂隙,较小裂隙最大变形位置发生变化,数值增大5倍。（2）基于微凸体及填充度理论,建立了单一裂隙岩体结构面抗剪强度计算公式。针对单一裂隙结构面加固强度问题,根据迎剪面与背剪面上粘接力,建立了不同正应力下裂隙结构面发生滑动、剪切和拉断三种破坏形式的抗剪强度计算公式;考虑填充度对结构面影响,依据填充度与抗剪强度关系,提出了填充作用下抗剪强度的计算公式,并发现在填充度达到0.2时,抗剪强度达到最大。（3）采用离散裂隙网络法（DFN）,通过裂隙频率建立了关于裂隙岩体的整体强度计算模型。基于Hoek-Brown和Mohr-Coulomb强度失效准则,借助离散元颗粒流程序（PFC）,建立裂隙岩体注浆加固强度数值模型。结果表明,加固后的裂隙逐渐发育过程与未加固相似,但破坏机制明显不同,强度明显增加;同时,加固强度随裂隙频率增大而逐渐降低,粘聚力c与内摩擦角φ也随之减小。（4）依托青岛地铁4号线人民会堂站加固工程,研究注浆作用下裂隙岩体变形与加固机理在实际工程中的适用性,对比分析浆液扩散范围、岩体变形和裂隙岩体强度三方面实测结果与理论和模拟结果。研究表明:裂隙岩体中浆液结石体留存位置、变形范围和加固后的整体强度在误差允许的范围内满足实际工程需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 裂隙岩体注浆扩散理论
•     1.2.2 裂隙岩体结构面粘接强度理论
•     1.2.3 裂隙岩体注浆加固强度理论
•   1.3 存在问题、研究内容及技术路线
•     1.3.1 存在问题
•     1.3.2主要研究内容
•     1.3.3 研究技术路线
•     1.3.4 创新点
• 第2章 考虑流-固耦合效应的单一裂隙岩体注浆变形规律研究
•   2.1 注浆对裂隙岩体的卸载与重新加载作用
•   2.2 建立考虑流-固耦合效应的浆液扩散公式
•     2.2.1 单一裂隙浆液流动控制方程
•     2.2.2 考虑流-固耦合效应浆液压力分布方程的建立
•   2.3 单一裂隙岩体浆液扩散试验
•     2.3.1 试验目的与意义
•     2.3.2 试验仪器与材料
•     2.3.3 试验结果与数据分析
•   2.4 裂隙岩体注浆有限元模拟分析及变形规律研究
•     2.4.1 模型建立与控制方程
•     2.4.2 单一裂隙数值计算结果分析及规律
•     2.4.3 平行裂隙数值计算结果分析及规律
•   2.5 本章小结
• 第3章 考虑注浆粘接作用的裂隙结构面剪切强度研究
•   3.1 裂隙岩体结构面形态与破坏形式
•     3.1.1 规则结构面
•     3.1.2 不规则结构面
•     3.1.3 结构面破坏形态
•   3.2 试验方案设计
•     3.2.1 试验研究内容与实验材料
•     3.2.2 试块制作
•     3.2.3 实验室直剪实验
•   3.3 不考虑填充度的裂隙岩体结构面剪切特性研究
•     3.3.1 无填充结构面抗剪强度试验
•     3.3.2 基于结构面粘接性能下的滑动破坏
•     3.3.3 基于结构面粘接性能下的剪切破坏
•     3.3.4 基于结构面粘接性能下的拉断破坏
•     3.3.5 单一裂隙岩体结构面抗剪强度
•   3.4 考虑填充度的裂隙岩体结构面剪切特性研究
•     3.4.1 注浆填充度
•     3.4.2 裂隙结构面剪切试验
•     3.4.3 考虑填充度的裂隙岩体结构面抗剪强度
•   3.5 本章小结
• 第4章 基于PFC颗粒流计算裂隙岩体加固强度特性研究
•   4.1 裂隙岩体注浆加固强度计算
•     4.1.1 离散裂隙网络构建
•     4.1.2 Hoek-Brown和Mohr-Coulomb强度失效准则
•     4.1.3 裂隙岩体加固强度计算方法的建立
•   4.2 考虑加固作用的裂隙岩体PFC颗粒流计算模型
•     4.2.1 颗粒生成及假定
•     4.2.2 单元颗粒间力学模型
•     4.2.3 数值计算参数校准
•     4.2.4 裂隙岩体数值模型建立
•   4.3 基于数值计算结果的裂隙岩体加固特性计算与分析
•     4.3.1 加固后裂隙结构面模拟结果与分析
•     4.3.2 加固后裂隙岩体应力-应变模拟结果与分析
•     4.3.3 加固后裂隙岩体c、φ模拟结果与分析
•   4.4 本章小结
• 第5章 裂隙岩体注浆工程应用
•   5.1 工程概况
•   5.2 注浆加固方案设计
•     5.2.1 钻孔布置
•     5.2.2 注浆材料及参数
•     5.2.3 现场实施过程
•   5.3 注浆效果评价
•     5.3.1 扩散范围
•     5.3.2 地表隆起
•     5.3.3 加固强度
•   5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文及参与项目
•   发表论文
•   参与项目
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨红鲁

导师: 李术才,刘人太

关键词: 裂隙岩体注浆,岩体变形,加固强度,数值模拟

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 山东大学

分类号: TU45

总页数: 110

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