水对超大岩溶洞穴围岩稳定性的作用规律研究

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由于特殊的岩性、地质构造、新构造运动的特性、气候、外源水和地貌等因素,岩溶在我国西南地区有着广泛的分布。随着我国铁路建设的不断推进,铁路隧道揭示了许多超大岩溶洞穴。为了应对这些岩溶洞穴对隧道建设的危害,有必要对洞室进行稳定性评价。而影响洞穴稳定性的各种因素中,水的作用是必须要考虑的。本文通过现场调查案例、离散元数值模拟和公式推导,从定性到定量分析了水对超大岩溶洞穴稳定性的影响。(1)由成贵铁路揭示的三个超大岩溶洞穴的现场调查案例,总结岩溶洞穴稳定性的定性分析过程,表明地下水量充沛、有过水通道的区域为围岩稳定性较差区。地下水渗流时的力学作用会产生掉块、洞周侧壁失稳、洞底堆积物滑坡等问题。(2)通过3DEC软件,模拟不同水压力下岩溶洞穴的稳定性变化,其结果与现场案例调查的结论类似。计算稳定后,地下水不同水压力时渗流场分布规律相同。洞顶被裂隙切割出的岩石块体随着水压力的升高,结构面上的法向应力不断减小,导致其位移不断增大,有坍塌掉块的风险。同时洞周围岩内的剪应力也随着水压力升高而变大,使得洞壁塑性区体积不断增大,且塑性区分布受到结构面的控制。(3)为了更好了解洞壁岩体在水压力作用下的力学特性,利用3DEC软件模拟了结构面不同水压力作用下,岩体的三轴压缩试验。在结构面水压力的作用下,岩体的强度逐步降低,其降低的原因在于水压力抵消了结构面上的一部分正应力,同时削弱了岩体的内摩擦角和粘聚力,其中内摩擦角对水压力值不敏感,而粘聚力则随水压力增大不断减小。(4)通过由整体分析得到的水对岩溶大厅稳定性的影响方式,考虑水压力的因素推导了洞顶局部稳定性和洞壁结构面稳定性的计算公式,并计算了上高山岩溶大厅洞顶和洞壁失稳时的水压力。
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