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隧道施工过程围岩损伤破坏数值模拟方法研究

作　者: 孙倩
导　师: 李树忱
学　校: 山东大学
专　业: 岩土工程
关键词: 隧道围岩岩石损伤破坏双线性应变软化应变能密度理论 FLAC FLAC3D 隧道施工过程
分类号: U451.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

软弱破碎围岩隧道在开挖过程中的变形破坏以及稳定性问题一直是设计、施工人员以及众多学者关心的问题。大量的隧道工程实践表明,围岩岩体的破坏失稳过程,就是岩体在开挖荷载作用下其损伤随时间发展的渐进破坏过程。因此本文通过数值模拟方法进行了隧道施工过程中围岩的损伤演化及渐进破坏规律的研究,并对隧道现场施工提供指导意见。(1)首先结合隧道岩石的破坏特征,即岩石的全应力应变曲线,探讨岩石的能量转换关系,建立岩石的损伤破坏演化方程。采用岩石的双线性应变软化应力应变本构关系,基于应变能密度理论建立了岩石细观单元的损伤破坏判别准则。(2)基于上述理论,通过FLAC中的FISH语言开发了岩石的二维损伤破坏计算程序,并通过荷载控制的静态加载方式,对巴西劈裂和中问裂隙拉伸试验进行二维的损伤破坏数值模拟；然后在二维的基础上,通过FLAC3D开发了岩石的三维损伤破坏计算程序,并通过动态位移加载方式,进行了巴西劈裂的三维损伤破坏数值模拟。模拟结果验证了损伤模型和计算程序的正确性和可行性。(3)利用岩石的三维损伤破坏计算程序,进行了地质模型试验中隧道超载的准三维数值模拟,分析了隧道围岩在加载过程中的渐进损伤破坏演化特征,同时验证了损伤破坏模型模拟隧道围岩损伤破坏的可行性。(4)最后运用开发的岩石损伤破坏模型,以两水隧道为依托,分别进行了V级围岩全断面和台阶法开挖的全三维损伤破坏数值模拟,同时研究分析了两种工况下,隧道施工过程中围岩损伤破坏的时空演化规律,并为工程施工提供指导意见。

全文目录

摘要  8-9
ABSTRACT  9-11
第一章绪论  11-19
  1.1 课题的研究背景和意义  11-13
  1.2 国内外的研究现状及发展趋势  13-17
    1.2.1 损伤力学发展  13-14
    1.2.2 岩石损伤力学发展  14-17
  1.3 本文的研究内容和研究方法  17-19
第二章基于应变能密度的岩石损伤破坏理论研究  19-35
  2.1 损伤力学的基本概念和原理  19-23
    2.1.1 概述  19-20
    2.1.2 损伤变量  20-22
    2.1.3 损伤力学的研究方法  22-23
  2.2 应变能密度理论  23-27
    2.2.1 应变能密度方程  23-25
    2.2.2 应变能密度理论与塑性破坏  25-27
  2.3 基于SED的岩石损伤本构方程  27-35
    2.3.1 考虑应变软化的应变能密度方程  29-32
    2.3.2 能量耗散与损伤本构  32-35
第三章岩石损伤破坏的二维数值模拟  35-49
  3.1 FLAC2D数值实现  35-40
    3.1.1 FLAC简介  35-36
    3.1.2 程序实现  36-40
  3.2 二维数值模拟  40-49
    3.2.1 巴西劈裂数值模拟  40-44
    3.2.2 内置裂隙拉伸试验数值模拟  44-49
第四章岩石损伤破坏的三维数值模拟  49-59
  4.1 FLAC3D数值实现  49-52
  4.2 三维数值模拟  52-59
第五章隧道施工过程围岩损伤破坏的数值模拟研究  59-91
  5.1 工程背景  59-60
  5.2 地质力学模型超载试验的数值模拟  60-67
  5.3 隧道施工过程围岩损伤破坏研究  67-91
    5.3.1 全断面开挖  68-80
    5.3.2 台阶法开挖  80-91
第六章结论与展望  91-93
  6.1 结论  91-92
  6.2 展望  92-93
参考文献  93-98
致谢  98-99
硕士期间参与的科研项目  99
硕士期间发表的论文  99-100
学位论文评阅及答辩情况表  100

隧道施工过程围岩损伤破坏数值模拟方法研究

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