本文選題：大跨度地下工程 + 脆-延-塑性本構(gòu)模型�。� 參考：《北京交通大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,大跨度地下工程在水利水電、交通、能源儲(chǔ)備、軍事等行業(yè)中不斷得到應(yīng)用,目前我國最大跨度地下工程已經(jīng)突破五十米。我國是大跨度地下工程建設(shè)的大國,但大跨度地下工程設(shè)計(jì)還處于經(jīng)驗(yàn)探索階段,而對于埋深大、跨度大、復(fù)雜工程地質(zhì)條件下的地下工程的穩(wěn)定性問題,是現(xiàn)有地下工程設(shè)計(jì)理論急需解決的難題。因此本論文以超大跨度地下工程圍巖穩(wěn)定性為研究對象,采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法,對大跨度地下工程穩(wěn)定性問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。具體的研究方法和得到的主要結(jié)論如下所述：(1)通過對硬質(zhì)砂巖的單軸及三軸試驗(yàn),研究了硬質(zhì)砂巖所具有彈-脆-塑性變形與破壞特征。室內(nèi)試驗(yàn)主要進(jìn)行了單軸壓縮、三軸壓縮、三軸循環(huán)加卸載及真三軸試驗(yàn)。研究了深埋條件下巖質(zhì)砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變特性及破壞特征,在低圍壓條件砂巖在達(dá)到峰值強(qiáng)度前的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系接近線性,在峰后應(yīng)力跌落明顯,當(dāng)圍壓超過臨界壓力時(shí),峰值后的砂巖表現(xiàn)出較明顯的延性特征。(2)建立了能反映硬質(zhì)砂巖變形破壞特性的脆-延-塑轉(zhuǎn)換本構(gòu)模型,并根據(jù)FLAC3D軟件fish語言編程規(guī)則,編制了脆-延-塑轉(zhuǎn)換本構(gòu)內(nèi)置模型。通過數(shù)值模擬驗(yàn)證,利用該模型的計(jì)算成果與巖石力學(xué)性質(zhì)較一致,當(dāng)處于低圍巖時(shí),巖樣呈現(xiàn)較為顯著的脆性特征,隨圍壓增加延性性質(zhì)得到逐步體現(xiàn),當(dāng)圍壓處于臨界圍壓時(shí),巖樣力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為典型的理想彈塑性狀態(tài)。(3)建立利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)進(jìn)行圍巖損傷區(qū)預(yù)測的研究方法。利用現(xiàn)場波速測試成果,通過損傷深度反分析的方法,確定了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法計(jì)算中的圍巖參數(shù)；通過Flac3d有限差分計(jì)算軟件,監(jiān)測開挖過程中最大主應(yīng)力隨最小主應(yīng)力降低的變化規(guī)律,并根據(jù)巖體的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度值,判斷監(jiān)測點(diǎn)的巖體強(qiáng)度狀態(tài),從而進(jìn)行損傷區(qū)深度分析。(4)應(yīng)用粒子流數(shù)值分析方法,確定損傷區(qū)深度隨埋深、跨度的變化規(guī)律。粒子流數(shù)值分析方法可對硬質(zhì)砂巖的脆-延-塑轉(zhuǎn)換和破裂行為兩個(gè)方面的特性進(jìn)行描述,在進(jìn)行大量的參數(shù)擬合的基礎(chǔ)上,利用PFC軟件對不同埋深、跨度的地下工程的損傷區(qū)進(jìn)行分析,研究發(fā)現(xiàn)隨著埋深和跨度的逐步加大,損傷區(qū)深度逐漸加深。(5)建立了多種因素對損傷區(qū)深度影響度的正交實(shí)驗(yàn)分析。通過對圍巖級(jí)別、跨度、水平地應(yīng)力系數(shù)、埋深、地應(yīng)力與軸線夾角五種影響因素在五種水平下的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,認(rèn)為圍巖級(jí)別和跨度對損傷區(qū)深度具有顯著影響,而水平地應(yīng)力系數(shù)、埋深和地應(yīng)力方位角對結(jié)果沒有顯著影響。(6)建立了圍巖穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性的評判方法。建立了基于應(yīng)力型破壞準(zhǔn)則、變形破壞準(zhǔn)則和塊體失穩(wěn)準(zhǔn)則的大跨度地下工程的穩(wěn)定性判定方法。從理論分析、數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)類比三個(gè)途徑有效判斷大跨度地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性,形成一套綜合大跨度洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判定方法。(7)在單軸、三軸巖石力學(xué)及流變試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,基于粒子群(PSO)圍巖流變參數(shù)優(yōu)化分析得到流變模型與試驗(yàn)流變曲線相吻合,該方法對于優(yōu)化流變參數(shù)、提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性具有較重要意義。根據(jù)數(shù)值分析,圍巖蠕變性質(zhì)并未改變錨桿和襯砌受力的總體分布特征,錨桿的軸力隨時(shí)間逐漸增大及安全性降低,襯砌的最大、最小壓應(yīng)力隨時(shí)間的也呈逐漸放大趨勢,但總體處于結(jié)構(gòu)安全范圍。
[Abstract]:With the rapid development of China's economy, the long-span underground engineering has been used in water conservancy and hydropower, transportation, energy reserve, military and other industries. At present, the largest span underground project in our country has exceeded fifty meters. China is a big country in the construction of large span underground engineering, but the design of large span underground engineering is still in the stage of experience and exploration. The stability of underground engineering under the condition of large span and complex engineering geology is an urgent problem for the existing underground engineering design theory. Therefore, in this paper, the stability of the surrounding rock of the super large span underground engineering is taken as the research object, and the stability of the large span underground engineering is solved by the methods of indoor experiment, field monitoring and numerical simulation. The main conclusions are as follows: (1) through the uniaxial and three axis tests of hard sandstone, the characteristics of the elastic brittle plastic deformation and failure of hard sandstone have been studied. The laboratory tests mainly carried out the uniaxial compression, the three axis compression, the three axis cyclic loading and unloading and the true three axis test. Stress strain characteristics and failure characteristics of rock sandstone under deep buried conditions, the stress strain relation of sandstone before the peak strength is close to linear in low confining pressure condition, and the stress drops obviously after the peak. When the confining pressure exceeds the critical pressure, the sandstone after the peak value shows obvious ductility characteristics. (2) it can reflect the deformation of hard sandstone. The brittle ductile transition constitutive model of failure characteristics is developed and the embrittlement plastic transformation constitutive model is developed according to the programming rules of the FLAC3D software fish language. Through numerical simulation, it is proved that the results of the model are in good agreement with the mechanical properties of the rock. When the rock is in low surrounding rock, the rock sample has more significant brittle characteristics and increases with the confining pressure. The properties of ductility are gradually embodied. When the confining pressure is in the critical confining pressure, the mechanical properties of rock samples are typical ideal elastoplastic state. (3) a method for predicting the damage zone of surrounding rock by continuous medium mechanics is established. The continuous medium mechanics method is determined by the method of the field wave velocity test and the method of the depth back analysis of the damage depth. The parameters of surrounding rock in the calculation are calculated. Through the Flac3d finite difference calculation software, the variation law of the maximum principal stress with the minimum principal stress is monitored in the excavation process, and the rock mass strength state of the monitoring point is judged according to the peak strength and the residual strength value of the rock mass, and the depth analysis of the damage zone is carried out. (4) the numerical analysis method of particle flow is applied. The characteristics of the two aspects of the brittle ductile transition and fracture behavior of hard sandstone can be described by the method of particle flow numerical analysis. On the basis of a large number of parameters fitting, the damage zone of different buried and span underground works is analyzed by PFC software. With the gradual increase of depth and span, the depth of the damaged area is deepened gradually. (5) the orthogonal experimental analysis of the influence degree of various factors on the depth of the damage zone is established. Through the statistical analysis of the five influence factors of the surrounding rock grade, span, horizontal stress coefficient, buried depth, and the angle between the earth stress and the axis angle, it is considered that the grade of the surrounding rock and the level of the surrounding rock are considered. The span has a significant influence on the depth of the damage zone, while the horizontal stress coefficient, the depth of the buried and the azimuth of the ground stress have no significant influence on the results. (6) the stability of the surrounding rock and the reliability of the supporting structure are established. The stability of the large span underground engineering based on the stress type failure criterion, the deformation failure criterion and the block instability criterion is established. Judging method. From three ways of theoretical analysis, numerical simulation and empirical analogy, the rationality of the support structure of large span underground engineering is judged effectively, and a set of comprehensive determination method for the stability of large span cavern supporting structure is formed. (7) on the basis of the uniaxial and three axis rock mechanics and rheological tests, the optimization of the rheological parameters of the surrounding rock mass (PSO) is based on the optimization of the rheological parameters of the surrounding rock. The rheological model is consistent with the experimental rheology curve. This method is of great significance for optimizing the rheological parameters and improving the accuracy of the numerical simulation. According to the numerical analysis, the creep property of the surrounding rock does not change the overall distribution characteristics of the stress of the bolt and lining, and the axial force of the bolt increases with time and the safety is reduced, and the most important of the lining is the lining. The maximum and minimum compressive stress increases gradually with time, but it is generally in the structural safety range.
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU94;TU45

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本文編號(hào)：1969704