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隧道围岩渐进性破坏及围岩压力预测方法研究

作　者: 王唢
导　师: 赵明阶
学　校: 重庆交通大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 公路隧道 围岩分级 损伤演化 弹性纵波速 渐进性破坏 围岩压力
分类号: U451.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


本文结合交通部科技项目“公路隧道松弛荷载预测理论与预警系统(编号:200631874024)”,从围岩分级和围岩损伤演化两个角度出发,联系现场监控量测数据弹性波纵波速,结合数值模拟分析以及理论分析等手段,对公路隧道渐进性破坏及围岩压力预测方法进行了较深入系统地研究,具体内容如下:⑴从围岩分级和初始损伤的相关性入手,对隧道开挖过程中围岩的损伤演化过程进行了分析和探讨,建立了损伤变量与围岩岩体力学参数之间的关系,即建立了弹性波纵波速与围岩岩体力学参数之间的关系;⑵根据开挖应力状态下隧道围岩的损伤演化分析,采用基于DP准则动态改变围岩参数的方法,实现ANSYS数值模拟隧道围岩在开挖过程中渐进性破坏模型的建立;根据壁城隧道现场监测资料,建立了典型断面在开挖卸荷作用下围岩渐进破坏的宏观力学模型。⑶根据数值模拟结果,分析各级围岩的位移、应力、应变以及塑性区的变化规律,较深入地分析围岩弹塑性损伤机理,进而得出隧道围岩的渐进性破坏规律;⑷采用壁城隧道工程的围岩声波量测数据,基于隧道围岩损伤演化,改进了Bieniawski经验公式,提出了基于损伤演化的围岩压力预测模型;基于渐进性破坏规律分析,得出软化模量,建立基于渐进性破坏理论的围岩压力预测模型;⑸根据壁城隧道现场监测资料,将两种预测模型预测数据与现场监测数据进行对比分析,结果显示:本文所建立的两种模型均比较符合实际情况下围岩压力的演化趋势,计算参数简化且客观,具有较高地工程实用价值。本文亮点:⑴建立了损伤变量与围岩岩体力学参数之间的关系;⑵建立了ANSYS数值模拟隧道渐进性破坏模型;⑶提出了基于围岩损伤的围岩压力预测模型;⑷提出了基于渐进性破坏理论的围岩压力预测模型。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
第一章 引言  10-21
  1.1 问题的提出  10-11
  1.2 国内外研究现状和发展动态  11-19
    1.2.1 常用的岩石(体)强度理论  11-12
    1.2.2 岩体的破坏机理研究  12-15
    1.2.3 隧道围岩弹塑性损伤模型的研究  15-17
    1.2.4 围岩压力预测方法研究  17-19
  1.3 论文研究的内容、目的和意义  19-21
    1.3.1 研究的内容  19-20
    1.3.2 研究的目的和意义  20-21
第二章 隧道围岩分级及损伤演化分析  21-36
  2.1 公路隧道围岩等级划分  21-24
    2.1.1 概述  21
    2.1.2 公路隧道围岩分级标准  21-23
    2.1.3 各级围岩的物理力学参数  23-24
  2.2 围岩分级与初始损伤的相关性研究  24-28
    2.2.1 概述  24
    2.2.2 节理岩体初始损伤的定义  24-25
    2.2.3 围岩分级与超声波的对应关系  25-27
    2.2.4 围岩分级与初始损伤的相关性  27-28
  2.3 开挖过程中围岩损伤演化分析  28-35
    2.3.1 损伤模型概述  28-30
    2.3.2 隧道围岩开挖过程中的损伤演化分析  30-34
    2.3.3 损伤演化分析的实际应用  34-35
  2.4 本章小结  35-36
第三章 开挖应力状态下隧道围岩数值模拟研究  36-51
  3.1 隧道施工过程数值模拟方法  36-42
    3.1.1 三维与二维问题的转换  36-37
    3.1.2 开挖过程的卸荷模拟  37-40
    3.1.3 隧道有限元模拟中的本构模型  40
    3.1.4 隧道开挖过程中施工性态的模拟  40-42
  3.2 隧道模拟过程的材料力学参数选取方法  42-43
  3.3 壁城隧道各级围岩隧道的ANSYS 模拟实现  43-50
    3.3.1 工程概况  43-44
    3.3.2 计算假定及模型建立  44-46
    3.3.3 各级围岩隧道的ANSYS 模拟实现  46-50
  3.4 本章小结  50-51
第四章 隧道围岩渐进性破坏规律研究  51-75
  4.1 ANSYS 数值模拟结果分析  51-60
    4.1.1 开挖过程中洞周位移变化规律  51-52
    4.1.2 开挖过程中围岩的应力变化规律  52-56
    4.1.3 开挖应力状态下围岩的应变变化规律  56-58
    4.1.4 开挖应力状态下塑性区围岩强度变化规律  58-60
  4.2 开挖应力状态下隧道围岩的弹塑性损伤机理  60-63
    4.2.1 岩石类材料的损伤特性  60-61
    4.2.2 隧道围岩弹塑性分析  61-62
    4.2.3 隧道围岩损伤机理分析  62-63
  4.3 隧道开挖破坏模式  63-73
    4.3.1 围岩破坏的力学机理  63-66
    4.3.2 围岩破坏的时间效应  66-68
    4.3.3 围岩稳定性判据  68-71
    4.3.4 隧道围岩渐进性破坏  71-73
  4.4 本章小结  73-75
第五章 隧道围岩压力演化趋势及预测方法研究  75-90
  5.1 现有理论方法计算围岩压力  76-78
    5.2.1 芬纳公式  77-78
    5.2.2 修正后的芬纳公式  78
  5.2 基于损伤演化的围岩压力预测模型研究  78-80
  5.3 基于围岩渐进性破坏理论的数值模拟方法  80-84
    5.3.1 软化模量的概念  81-82
    5.3.2 隧道围岩渐进性破坏模型  82-84
  5.4 隧道围岩压力预测方法研究  84-88
    5.4.1 工程概况  84-85
    5.4.2 预测模型对比分析  85-87
    5.4.3 隧道围岩压力预测方法  87-88
  5.5 本章小结  88-90
第六章 结论  90-92
  6.1 主要结论  90
  6.2 建议与展望  90-92
致谢  92-93
参考文献  93-101
在学期间发表的论著及参与的科研成果  101

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 隧道工程 > 隧道结构理论 > 隧道围岩理论
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