發(fā)布時(shí)間：2020-03-26 00:17

【摘要】：由于巖石顆粒的定向排列以及貫穿于巖體中多種結(jié)構(gòu)面的存在,使自然界中的絕大多數(shù)巖體具有各向異性的材料性能。根據(jù)水利、交通、礦產(chǎn)、國(guó)防等工程建設(shè)的需要,將不可避免地在各向異性巖體中開掘各種形狀的隧洞。隧洞的開挖與襯砌的支護(hù)建設(shè),會(huì)擾動(dòng)原巖中原始地應(yīng)力的分布形態(tài),使圍巖和襯砌附近產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中,過大的應(yīng)力集中會(huì)嚴(yán)重威脅隧洞的安全穩(wěn)定性。不同的襯砌隧洞斷面形狀,會(huì)引起不同的應(yīng)力和位移場(chǎng)分布。因此探究各向異性巖體中任意形狀襯砌隧洞的力學(xué)解答,將具有重要的工程指導(dǎo)意義。襯砌隧洞力學(xué)計(jì)算的正確求解,離不開原始地應(yīng)力以及各向異性巖體宏觀范圍內(nèi)參數(shù)的準(zhǔn)確給定。但是地下工程問題中參數(shù)給不準(zhǔn)的客觀存在,長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)困擾著巖石力學(xué)的發(fā)展。位移反分析參數(shù)辨識(shí)方法的提出,為實(shí)現(xiàn)上述過程成為可能。因此進(jìn)行各向異性巖體中的位移反分析參數(shù)辨識(shí)研究,將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在另一種應(yīng)用廣泛的各向異性材料——木板和復(fù)合材料板中,由于有纖維的存在,使沿纖維和垂直纖維方向的力學(xué)性能完全不同。當(dāng)在此類各向異性板上開設(shè)孔洞時(shí),在外力的作用下,孔附近會(huì)產(chǎn)生劇烈的應(yīng)力集中,嚴(yán)重時(shí)材料的失穩(wěn)破壞將會(huì)從孔邊開始。優(yōu)良的孔口形狀可以使應(yīng)力集中程度降至最低,從而保證孔結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定要求。因此開展各向異性板上的孔形優(yōu)化工作,會(huì)給各向異性板材料的高效利用,提供重要的參考依據(jù)。綜上,本研究將基于線彈性各向異性介質(zhì)的復(fù)變函數(shù)解析分析方法,開展各向異性巖體中任意形狀襯砌隧洞問題的解析計(jì)算方法、各向異性巖體中的位移反分析參數(shù)辨識(shí)方法和各向異性板中的孔形優(yōu)化研究工作。由于主要研究過程采用了解析分析方法,所以獲得的結(jié)論具有很強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義。具體研究?jī)?nèi)容如F:(1)基于線彈性各向異性和各向同性介質(zhì)中任意形狀孔洞問題的復(fù)變函數(shù)解析方法,采用保角映射和冪級(jí)數(shù)解解法過程,推導(dǎo)計(jì)算了各向異性巖體中帶有任意形狀的水工襯砌隧洞,在各向同性襯砌和各向異性圍巖分別處于完全接觸和光滑接觸條件下的力學(xué)解析計(jì)算方法。該解析過程充分考慮了襯砌隧洞建設(shè)過程中的支護(hù)滯后效應(yīng)和水工隧洞運(yùn)行時(shí)的洞內(nèi)水壓力作用。使用獲得的解析方法,分別針對(duì)正交各向異性巖體中的直墻半圓拱形水工襯砌隧洞(完全接觸)和橫觀各向同性巖體中于各向異性面上開挖的馬蹄形水工襯砌隧洞(光滑接觸)開展解析計(jì)算。經(jīng)檢驗(yàn),所獲得的解析解具有很高的精度,圍巖襯砌接觸邊界的連續(xù)條件和襯砌內(nèi)邊界的應(yīng)力邊界條件滿足得很好,并與ANSYS有限元的數(shù)值解進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果吻合良好。運(yùn)用該解析算法,探索了各向異性巖體中結(jié)構(gòu)面的方向、開挖面上的各向異性程度、隧洞內(nèi)水壓力的大小以及兩種不同的接觸方式,對(duì)襯砌和圍巖中應(yīng)力和位移分布的影響規(guī)律。(2)將求解各向異性巖體中任意形狀無襯砌隧洞的位移解析正問題計(jì)算過程,與具有全局最優(yōu)性的差分進(jìn)化法(DE)結(jié)合,獲得了各向異性巖體中位移反分析參數(shù)辨識(shí)問題的解析反演方法。針對(duì)橫觀各向同性巖體中于各向異性面上開挖一個(gè)馬蹄形隧洞問題開展了研究,介紹了該模型中的各個(gè)獨(dú)立待辨識(shí)參數(shù)并計(jì)算了這些參數(shù)的靈敏度信息。根據(jù)隧洞斷面上測(cè)線“量測(cè)”的相對(duì)位移,反演辨識(shí)了所有的參數(shù)組合,歸納整理了各參數(shù)組合的可唯一辨識(shí)性以及辨識(shí)精度等方面的結(jié)論,給出了測(cè)線的布置方案和條數(shù)建議。(3)將求解各向異性板中任意形狀無加強(qiáng)環(huán)孔洞的應(yīng)力解析正問題計(jì)算過程,與混合罰函數(shù)優(yōu)化方法結(jié)合,獲得了正交各向異性板中的孔形優(yōu)化算法。以孔邊最大切向應(yīng)力的絕對(duì)值最小為原則,針對(duì)控制描述孔形的映射函數(shù)項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。獲得了純剪切和不同壓縮荷載、不同纖維布置方向以及不同材料各向異性程度條件下的最優(yōu)孔口形狀,以及這些具有最小孔邊切向應(yīng)力集中孔形的孔周應(yīng)力分布形態(tài)。
【圖文】：

從宏觀方面講，巖體在初始形成和后期存在的過程中，長(zhǎng)期受到復(fù)雜的地質(zhì)改造和逡逑構(gòu)造作用，使巖體內(nèi)部產(chǎn)生了如孔隙、裂隙、節(jié)理、層理、軟弱面、斷層等各種類逡逑型的結(jié)構(gòu)面，如圖１－１所示。這些結(jié)構(gòu)面的存在對(duì)大范圍巖體的各向異性影響十分逡逑１逡逑

…０Ｖ逡逑而對(duì)于如圖２－２所示的具有３個(gè)相互正交的彈性對(duì)稱面的各向異性介質(zhì)稱為正逡逑交各向異性體。當(dāng)３個(gè)坐標(biāo)的布置方向與３個(gè)彈性對(duì)稱面重合時(shí)，，廣義胡克定律可逡逑以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為式（２－１３）。此時(shí)正應(yīng)力只與正應(yīng)變有關(guān)，剪應(yīng)力只與相應(yīng)的剪應(yīng)變逡逑有關(guān)，材料的正剪耦合和剪切耦合現(xiàn)象消失。逡逑６＊丨邐ａｕ邋ａｎ邋ａｕ邐卜逡逑ｅ２邋ａｎ邋ａ２２邐ａ２３邐０邐ｃｒ７逡逑ａ＼３邐ａ２３邐ａ３３邐］逡逑１邐卜邐ｉ邐ｆ邐（２－１３）逡逑＾４邐＾４４邐卜逡逑＾５邐0邐ａ５５邐＾５逡逑Ｌ邐ｆｌ６６」ｋ逡逑２６逡逑
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張志增;李永濤;李仲奎;;橫觀各向同性巖體中位移反分析的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置[J];黃金;2014年09期

2 呂愛鐘;陳虹宇;覃媛;張寧;;光滑接觸條件下隧洞支護(hù)斷面形狀優(yōu)化[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2014年08期

3 謝慈航;薛璞;;含孔復(fù)合材料層合板的孔邊應(yīng)力分析及孔形優(yōu)化[J];陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2014年04期

4 李成;鐵瑛;鄭艷萍;;不同的裂紋尺寸對(duì)橢圓形裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子影響的研究[J];船舶力學(xué);2011年10期

5 張進(jìn);王丹;張衛(wèi)紅;;復(fù)合材料薄壁曲面開孔孔形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2011年08期

6 李杭州;廖紅建;;復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巖體強(qiáng)度的各向異性研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2010年07期

7 張志增;李仲奎;許夢(mèng)國(guó);;橫觀各向同性巖體中任意形狀巷道的位移解析解[J];礦業(yè)研究與開發(fā);2010年03期

8 張志增;李仲奎;許夢(mèng)國(guó);;橫觀各向同性巖體中深埋圓形巷道的位移解析解[J];黃金;2010年03期

9 宛新林;席道瑛;葉青;彭曙光;;巖石各向異性實(shí)驗(yàn)研究及對(duì)工程勘探的影響[J];中國(guó)煤炭地質(zhì);2008年08期

10 李成;鄭艷萍;;含不同矩形孔各向異性板孔邊應(yīng)力狀態(tài)[J];同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2007年12期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 張志增;橫觀各向同性巖體位移反分析的理論與應(yīng)用研究[D];清華大學(xué);2010年

2 黃立新;平面正交各向異性體材料參數(shù)識(shí)別的邊界元法[D];清華大學(xué);2005年

本文編號(hào)：2600646