發(fā)布時(shí)間：2018-04-27 19:34

  本文選題：人工凍土 + 雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論�。� 參考：《長(zhǎng)安大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：隨著地下礦產(chǎn)資源開采的不斷加深,城市地下空間綜合利用開發(fā)的不斷擴(kuò)大,人工凍結(jié)法在地下工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。凍結(jié)壁作為井筒開挖過程中的臨時(shí)支護(hù),經(jīng)常會(huì)由于凍土的流變性而產(chǎn)生較大的變形,最終導(dǎo)致凍結(jié)管斷裂、井壁破損,給井筒施工帶來很多問題。因此,研究?jī)鐾恋牧髯兲匦约皟鼋Y(jié)壁的力學(xué)特性對(duì)凍結(jié)工程及井筒開挖具有重要意義。本文采用理論研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究人工凍土的蠕變特點(diǎn)及凍結(jié)壁的力學(xué)特性。采用元件模型的流變理論建立了人工凍土的粘彈塑性蠕變本構(gòu)模型,基于雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論,考慮凍土的蠕變性、凍結(jié)壁的卸載作用及凍結(jié)壁的非均勻性研究了凍結(jié)壁的力學(xué)性能,利用有限元軟件ANSYS分析了開挖過程中凍結(jié)壁的變形特性。本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:(1)考慮圍壓對(duì)凍土強(qiáng)度的影響,建立了人工凍土的統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則;以西原模型為基礎(chǔ),采用非牛頓粘壺代替牛頓粘壺,非線性牛頓體代替線性牛頓體,雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論代替圣維南體,根據(jù)元件模型的流變理論建立了凍土的粘彈塑性蠕變本構(gòu)方程。該本構(gòu)方程考慮了凍土蠕變的非線性,可描述凍土蠕變的全過程,且所得結(jié)果可適用于不同類型的凍土材料。(2)考慮凍土的蠕變性及中間主應(yīng)力的影響,建立了凍結(jié)壁的粘彈塑性應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng);采用有限元軟件ANSYS對(duì)開挖過程中凍結(jié)壁進(jìn)行數(shù)值模擬,比較考慮蠕變與不考慮蠕變時(shí)凍結(jié)壁的變形特點(diǎn)。研究結(jié)果表明,考慮凍土的蠕變性使凍結(jié)壁的變形隨時(shí)間增大,凍結(jié)壁的蠕變變形不可忽略;凍結(jié)壁的粘彈性極限荷載隨強(qiáng)度理論參數(shù)的增大而增大;凍結(jié)壁井幫的徑向位移沿開挖段高呈拋物線分布,中部偏上位移最大;較不考慮蠕變時(shí),凍結(jié)壁井幫的徑向位移相對(duì)較大。(3)考慮凍結(jié)壁的卸載作用及中間主應(yīng)力的影響,采用卸載狀態(tài)下凍結(jié)壁-周圍土體共同作用的凍結(jié)壁力學(xué)模型,推導(dǎo)得到凍結(jié)壁彈塑性應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)、彈塑性極限荷載及外載的統(tǒng)一解,分析了強(qiáng)度理論參數(shù)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,考慮凍結(jié)壁的卸載作用,使凍結(jié)壁的外載較傳統(tǒng)方法相對(duì)較小,凍結(jié)壁的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)也相對(duì)較小;彈性極限外載和塑性極限外載均隨強(qiáng)度理論參數(shù)的增大而增大。(4)考慮凍土材料的FGM(Functionally Graded Material)特性及中間主應(yīng)力的影響,推導(dǎo)得到凍結(jié)壁的彈塑性應(yīng)力場(chǎng)及彈塑性極限荷載的解析解,討論了強(qiáng)度理論參數(shù)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,考慮凍土的FGM特性,使凍結(jié)壁的應(yīng)力分布更均勻;彈性極限荷載較均質(zhì)凍結(jié)壁相對(duì)較大,塑性極限荷載相對(duì)較小;彈性極限外載和塑性極限外載均隨強(qiáng)度理論參數(shù)的增大而增大。
[Abstract]:With the deepening exploitation of underground mineral resources and the expansion of comprehensive utilization of urban underground space, artificial freezing method has been more and more widely used in underground engineering. As the temporary support in the process of shaft excavation, the frozen wall often produces large deformation due to the rheology of frozen soil, which eventually leads to the breakage of freezing pipe and the breakage of shaft wall, which brings many problems to the shaft construction. Therefore, it is of great significance to study the rheological characteristics of frozen soil and mechanical properties of frozen wall for freezing engineering and wellbore excavation. In this paper, the creep characteristics of the artificial frozen soil and the mechanical properties of the frozen wall are studied by combining theoretical research with numerical simulation. The viscoelastic-plastic creep constitutive model of artificial frozen soil is established by using the rheological theory of element model. Based on the unified strength theory of double shear, the creep property of frozen soil is considered. The mechanical properties of the frozen wall are studied by unloading and non-uniformity of the frozen wall. The deformation characteristics of the frozen wall during excavation are analyzed by using the finite element software ANSYS. The main contents and conclusions of this paper are as follows: (1) considering the influence of confining pressure on the strength of frozen soil, the unified strength criterion of artificial frozen soil is established. The nonlinear Newtonian body replaces the linear Newtonian body and the double shear unified strength theory replaces the San Venan body. According to the rheological theory of the element model, the viscoelastic-plastic creep constitutive equation of frozen soil is established. The constitutive equation takes into account the nonlinearity of frozen soil creep, and can describe the whole process of frozen soil creep, and the obtained results can be applied to different types of frozen soil materials. The viscoelastic-plastic stress field and displacement field of the frozen wall are established, and the deformation characteristics of the frozen wall during excavation are compared by using the finite element software ANSYS. The results show that considering the creep property of frozen soil, the deformation of frozen wall increases with time, the creep deformation of frozen wall can not be ignored, and the ultimate viscoelastic load of frozen wall increases with the increase of theoretical strength parameters. The radial displacement of the frozen wall is parabolic along the height of the excavation section, and the upper displacement of the middle part is the largest; when the creep is not considered, the radial displacement of the frozen wall is relatively larger than that of the frozen wall, and the effect of the unloading action of the frozen wall and the effect of the intermediate principal stress are considered. By using the mechanical model of freezing wall under unloading condition, the unified solutions of elastic-plastic stress field, displacement field, elastic-plastic limit load and external load of frozen wall are derived, and the influence law of strength theoretical parameters is analyzed. The results show that considering the unloading effect of the frozen wall, the external load of the frozen wall is relatively smaller than that of the traditional method, and the stress and displacement fields of the frozen wall are also relatively small. The elastic limit external load and the plastic limit external load increase with the increase of the strength theoretical parameters. (4) considering the FGM(Functionally Graded material properties of the frozen soil and the influence of the intermediate principal stress, the analytical solutions of the elastic-plastic stress field and the elastic-plastic limit load of the frozen wall are derived. The influence of theoretical parameters on strength is discussed. The results show that considering the FGM characteristics of the frozen soil, the stress distribution of the frozen wall is more uniform, the elastic limit load is larger than that of the homogeneous freezing wall, and the plastic limit load is relatively small. Both the elastic limit and the plastic limit load increase with the increase of the theoretical strength parameters.
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)安大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TU445

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本文編號(hào)：1812030