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基于塑性力学新方法的围岩稳定分析与优化研究

作　者: 姚延化
导　师: 李铀
学　校: 中南大学
专　业: 力学
关键词: 围岩稳定优化分析塑性力学新方法数值计算围岩应力场
分类号: U451.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

摘要：近年来,我国的隧道及地下工程工程得到了长足的发展,但与此同时,由于各种各样的原因,隧道及地下工程的安全事故也时有发生,这其中包括坍塌和塌方等严重安全事故,严重威胁着施工人员的人身安全并造成巨大的财产损失。如何安全又经济的对隧道及地下工程进行设计与施工,在当前形势下愈发重要。隧道及地下工程的围岩稳定性一直是岩土工程界研究的重点,但由于实际工程的岩土地质情况较为复杂,所以目前的围岩稳定性判别并没有统一的标准。本文从围岩应力场出发,运用塑性力学新方法结合工程实践进行理论分析与数值模拟,主要的研究内容如下：(1)回顾了隧道围岩稳定性研究和优化设计的发展现状,总结了围岩稳定分析和优化设计的若干问题和发展方向。(2)系统介绍了导致围岩失稳的各种因素和当前常见的三种围岩稳定判据。(3)运用塑性力学新方法结合工程对隧道的应力状态进行研究分析,并就塑性力学新方法求出的应力场与经典方法求出的应力场进行对比分析。(4)依据塑性力学新方法推导出不同强度准则的圆形硐室临界破坏深度,并对非圆形截面的应力状态和围岩稳定性情况进行研究,分析了直墙圆拱截面不同直墙高度对围岩稳定性的影响。(5)以骡坪隧道为工程实例,采用塑性力学新方法计算隧道围岩应力场,然后对其截面形状和锚杆参数进行优化分析,得出基于新方法的优化结果。图112幅,表14个,参考文献82篇

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-18
  1.1 前言  9
  1.2 隧道围岩稳定性分析的研究现状  9-12
    1.2.1 力学分析法  9-10
    1.2.2 围岩分类法  10
    1.2.3 数值计算方法  10-11
    1.2.4 人工智能方法  11
    1.2.5 反分析方法  11-12
    1.2.6 模型试验法  12
  1.3 隧道优化设计的研究现状  12-15
    1.3.1 通过数学或力学等理论方法进行优化  12-13
    1.3.2 通过各种软件或有限元程序进行优化  13-14
    1.3.3 其他方面的优化  14-15
  1.4 目前存在的主要问题  15-16
  1.5 本文研究的内容及方法  16-18
2 围岩失稳及其影响因素  18-26
  2.1 隧道围岩失稳形式  18-20
    2.1.1 围岩压力类型  18-19
    2.1.2 常见的围岩变形破坏形态  19-20
    2.1.3 常见的围岩破坏方式  20
  2.2 围岩分类和稳定性判据研究  20-22
    2.2.1 围岩分类  20-21
    2.2.2 围岩稳定性判据  21-22
  2.3 隧道围岩稳定性影响因素  22-25
  2.4 本章小结  25-26
3 基于塑性力学新方法的圆硐应力分析  26-42
  3.1 圆形硐室围岩应力状态  26-28
    3.1.1 圆形硐室受力分析  26-27
    3.1.2 围岩二维弹性应力场解析  27-28
  3.2 基于经典方法的围岩应力场  28-30
    3.2.1 现有的圆硐应力场理论解答  28-29
    3.2.2 经典圆硐应力场解答存在的问题  29-30
  3.3 塑性力学新方法简介  30-31
    3.3.1 塑性力学问题求解统一方程组  30
    3.3.2 两类边界条件下弹塑性应力场的重要结论  30-31
  3.4 基于新方法的圆形硐室围岩应力场分析  31-37
    3.4.1 埋深对围岩应力场的影响  32-33
    3.4.2 侧压力系数对应力场的影响  33-35
    3.4.3 不同位置应力场的变化  35-37
  3.5 塑性力学新方法应力场与经典弹塑性力学应力场对比分析  37-40
  3.6 本章小结  40-42
4 基于塑性力学新方法的洞室临界破坏深度研究  42-58
  4.1 岩石强度理论  42-45
    4.1.1 莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)强度准则  42
    4.1.2 德鲁克-普拉格(Drucker-Prager)强度准则  42-43
    4.1.3 霍克-布朗(Hoek-Brown)强度准则  43-45
  4.2 圆形硐室临界破坏深度分析  45-47
    4.2.1 圆硐临界破坏深度  45-46
    4.2.2 工程实例分析  46-47
  4.3 非圆形截面研究  47-56
    4.3.1 不同截面硐室临界破坏深度比较分析  47-49
    4.3.2 直墙圆拱硐室临界破坏深度与稳定性研究  49-56
  4.4 本章小结  56-58
5 基于塑性力学新方法的洞室截面与锚杆参数优化  58-74
  5.1 骡坪隧道工程概况  58
  5.2 隧道截面形状优化研究  58-63
    5.2.1 常用的优化设计方式  58-59
    5.2.2 隧道断面形状优化的有限元分析  59-63
  5.3 锚杆参数的优化  63-73
    5.3.1 锚杆铺设间距的优化对比  63-68
    5.3.2 锚杆长度的优化对比  68-73
  5.4 本章小结  73-74
6 结论与展望  74-76
  6.1 本文主要结论  74-75
  6.2 工作展望  75-76
参考文献  76-81
攻读学位期间的主要研究成果  81-82
致谢  82

基于塑性力学新方法的围岩稳定分析与优化研究

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