[发明专利]确定岩体隧道开挖破碎区范围的方法

说明书

本发明公开了一种确定岩体隧道开挖破碎区范围的方法，针对各向同性岩体，基于隧洞围岩破碎区卸载破坏特征，建立了通过围岩岩样不同围压室内卸载试验确定围岩扰动圈内破碎区与塑性区交界面应力状态的方法，获得围岩破碎区岩体卸载破坏过程曲线，并采用分层法建立了计算破碎区半径的计算方法。本发明反映了隧道围岩松动的过程，把围岩强化区和破碎区分开，概念更明确，计算结果可靠，为隧道支护设计和位移计算提供新的依据。

技术领域

本发明涉及岩体隧道开挖区域确定方法，具体涉及一种确定岩体隧道开挖破碎区范围的方法。

背景技术

在无限各向同性岩体中开挖的圆形隧道，在隧道开挖之前整个区域存在一个初始应力场，针对软弱破碎岩体隧道，通常认为开挖后围岩分为三个典型区域：弹性区、塑性区和破碎区。结合围岩卸载应力应变曲线，结合芬纳公式的理论，假设塑性区域的围岩体应变为0，即虽然产生了塑性变形但是总体积应变相对于初始值并没有增加。围岩卸载应力应变曲线为某一围压下的极限强度对应破碎区边界上一点，破碎区的围岩由于裂纹的扩展，通常表现为明显的扩容效应，但目前还没有确定破碎区范围的方法，给加固设计和位移计算带来了困难。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种确定岩体隧道开挖破碎区范围的方法，解决目前还没有确定破碎区范围的方法，给加固设计和位移计算带来困难的问题。

技术方案：本发明所述的确定岩体隧道开挖破碎区范围的方法，包括以下步骤：

(1)根据实测初始地应力，采用弹性力学理论解或弹性有限元法，估算洞壁最大切向应力σ_tmax，对围岩岩样做不同围压下的卸载破坏试验，得到不同围压下的卸载曲线，的曲线进行无量纲化处理后得破碎区计算依据曲线；

(2)将步骤(1)获得的曲线上最高点A对应围岩破碎区与塑性区边界点的应力状态，曲线平稳后最低点B洞壁处岩石卸载破坏的残余强度应力状态，然后将AB之间的曲线等分为n层，对应的围岩破碎区也等分为n层；

(3)根据沿着单元体径向轴上的所有力之和为零的平衡条件得：

将上式简化后得到破碎区第n层的厚度：

其中，b为洞壁半径，h_n为第n层的厚度，σ_rn为第n层上部边界径向应力，σ_rn+1为第n层下部边界径向应力，σ_θn为第n层上部边界切向应力，σ_θn+1为第n层下部边界切向应力；

(4)根据同样的平衡条件可得：在第i层，当i＜n时的厚度：

其中b为洞壁半径，h_i为第i层的厚度，σ_ri为第i层上部边界径向应力，σ_ri+1为第i层下部边界径向应力，σ_θi为第i层上部边界切向应力，σ_θi+1为第i层下部边界切向应力；

(5)根据步骤(3)和(4)将各层厚度累加可得破碎区的半径：

其中，所述步骤(1)中最大轴压在没有实测初始地应力时取2γH，其中γ为通过试验测得的岩石的重度，H为隧道埋深。所述步骤(2)中n大于等于10。所述σ_tmax小于岩体无侧限抗压强度时破碎区半径为0。

有益效果：本发明采用围岩岩样不同围压室内卸载试验确定围岩扰动圈内破碎区与塑性区交界面应力状态的方法，获得围岩破碎区岩体卸载破坏过程曲线，并采用分层法建立了计算破碎区半径，反映了隧道围岩松动的过程，把围岩强化区和破坏区分开，概念更明确，计算结果可靠，为隧道支护设计和位移计算提供新的依据。