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隧道围岩离散裂隙网络渗流场与应力场耦合分析

作　者: 戚建邦
导　师: 柴军瑞
学　校: 西安理工大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 裂隙网络开挖扰动渗流场应力场耦合分析
分类号: U451.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

裂隙岩体渗流场与应力场耦合研究是岩体水力学中一个很有意义的课题。裂隙岩体渗流特性主要由岩体裂隙网络结构决定。裂隙隙宽的改变引起对裂隙渗流的影响,而渗流场变化反过来引起岩体应力场变化,即为渗流与应力的耦合作用。在隧道工程施工过程中,隧道围岩中渗流场与应力场存在着耦合关系。本文在国内外研究的基础上,根据裂隙网络岩体渗流场与应力场耦合的基本理论,对隧道开挖后衬砌前裂隙围岩在二次应力和敞开排水状态下的渗流场与应力场进行耦合计算。研究成果主要有以下几个方面：1、分析现有岩体渗流场与应力场耦合模型,总结各种数学模型的优缺点及其适用范围。吸收现有岩体水力学在该领域的研究成果,分析应力与隙宽、渗透力等之间的关系,建立耦合分析模型；2、使用裂隙网络数学模型对裂隙网络岩体进行渗流场与应力场的耦合计算,根据离散网络模型的基本理论,编制计算程序,并通过算例对程序进行了验证。3、隧道工程施工过程中,存在着渗流场与应力场的耦合关系。对隧道工程施工过程中渗流场与应力场的耦合机理进行研究。以裂隙岩体渗流场与应力场耦合模型为基础,建立隧道开挖过程中渗流场与应力场耦合模型；4、用所编制的程序,在考虑中部开挖的情况下,对裂隙网络岩体进行渗流场与应力场的耦合计算,从计算结果可以看出,开挖后的岩体渗流场与应力场,在耦合与不耦合情况下有所不同。渗流场对应力场的影响,在靠近开挖区域较为明显。与开挖部位相连通的裂隙渗流量,在考虑耦合作用影响下有所减小；5、对某隧道工程开挖后、衬砌前,围岩在二次应力和敞开排水(不考虑衬砌与防排水措施)条件下的渗流场与应力场进行了耦合计算。由计算结果看出,隧道开挖后,在隧道周围出现应力集中现象。考虑耦合作用时,应力场对渗流场的影响大于渗流场对应力场的影响,在应力场的影响下,隧道围岩内裂隙闭合,裂隙内水头增加,对与隧道连通裂隙的渗流量进行计算,考虑耦合作用后,裂隙向隧道内的渗流量减小。在渗流场影响下,围岩最大主应力增大,但增大值相对较小,且集中在隧道周边部位。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-19
  1.1 引言  8-9
  1.2 裂隙岩体渗流的研究现状  9-13
    1.2.1 裂隙岩体的渗透特性  9-11
    1.2.2 裂隙岩体渗流研究现状  11-12
    1.2.3 渗流数值模型的研究现状  12-13
  1.3 裂隙岩体渗流-应力耦合研究现状  13-15
    1.3.1 单一裂隙渗流应力耦合机理研究  13-14
    1.3.2 裂隙岩体渗流应力耦合分析数值方法研究  14-15
  1.4 隧道开挖问题的水力耦合研究现状  15-17
  1.5 本论文研究的意义和主要内容  17-19
2 裂隙岩体渗流场与应力场耦合的基本理论  19-32
  2.1 单裂隙渗流与应力的耦合作用  19-24
    2.1.1 单裂隙渗流的概念模型  19-20
    2.1.2 立方定律的修正  20-21
    2.1.3 单裂隙渗流控制方程  21-22
    2.1.4 单裂隙面的力学变形性质  22-23
    2.1.5 单裂隙渗流与应力耦合研究  23-24
  2.2 裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析  24-31
    2.2.1 裂隙岩体渗流模型  24-28
    2.2.2 裂隙岩体渗流应力耦合的数学模型  28-29
    2.2.3 裂隙岩体渗流应力耦合模型的计算方法  29-31
  2.3 本章小结  31-32
3 裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析  32-48
  3.1 二维离散裂隙网络的生成  32-37
    3.1.1 裂隙网络系统的概念  32
    3.1.2 离散裂隙网络的计算机随机生成  32-35
    3.1.3 Monte-Carlo方法模拟裂隙网络步骤  35
    3.1.4 裂隙网络生成工程实例  35-37
  3.2 裂隙网络渗流数学模型及计算方法  37-40
    3.2.1 裂隙网络非连续介质渗流数学模型  37-39
    3.2.2 裂隙网络系统非连续介质渗流数学模型的数值解法  39-40
  3.3 二维裂隙网络渗流场与应力场耦合数值分析  40-47
    3.3.1 有限单元法原理  40-41
    3.3.2 岩体裂隙网络渗流场与应力场耦合模型  41-44
    3.3.3 岩体裂隙网络渗流场与应力场耦合模型的数值求解  44-45
    3.3.4 算例  45-47
  3.4 本章小结  47-48
4 考虑开挖扰动情况下隧道围岩渗流场与应力场耦合分析  48-61
  4.1 地下水对隧道工程的影响  48-49
    4.1.1 地下水对隧道围岩的不良影响  48-49
    4.1.2 地下水对隧道衬砌结构的影响  49
    4.1.3 地下水对隧道运营环境的不良影响  49
  4.2 隧道围岩渗流场与应力场相互作用的机理  49-52
    4.2.1 隧道裂隙岩体中渗流场对应力场的影响  50-52
    4.2.2 隧道裂隙岩体中应力场对渗流场的影响  52
  4.3 隧道施工过程中渗流场与应力场的耦合问题  52-55
    4.3.1 隧道围岩的应力过程  53
    4.3.2 围岩变形中的耦合作用  53-55
  4.4 渗流应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量的预测  55-56
  4.5 考虑开挖情况下裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析  56-60
    4.5.1 耦合场求解步骤  56
    4.5.2 算例  56-60
  4.6 本章小结  60-61
5 某隧道施工过程中裂隙围岩渗流场与应力场耦合分析  61-70
  5.1 工程概况  61
  5.2 工程地质条件  61-62
  5.3 渗流场与应力场耦合计算  62-69
    5.3.1 隧道围岩渗流场计算  64-65
    5.3.2 围岩初始应力场计算  65-66
    5.3.3 隧道开挖后围岩渗流场与应力场耦合计算  66-69
    5.3.4 计算结果分析  69
  5.4 本章小结  69-70
6 结论与展望  70-72
  6.1 结论  70
  6.2 展望  70-72
致谢  72-73
参考文献  73-77
附录  77
  一、攻读硕士期间撰写发表论文  77
  二、攻读硕士期间参加的课题  77

隧道围岩离散裂隙网络渗流场与应力场耦合分析

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