基于横观各向同性损伤模型的隧道围岩稳定性分析

发布时间：2020-11-03 04:34

　　 在隧道工程中,接触到的围岩大多为层状岩体,且其力学参数会随着开挖卸荷后应变的增加而逐渐劣化。然而,在常规的工程计算中,往往将围岩假定为力学参数恒定不变的均质岩体,这就导致计算结果容易出现较大误差。为综合考虑岩体强度各向异性和力学参数损伤劣化这两个方面对围岩稳定性的影响,本文通过单轴压缩试验得到层状岩体在各层面倾角下的力学参数,分别计算其损伤变量,研究损伤变量随层面倾角的变化规律,基于两组损伤变量对横观各向同性弹性模型及摩尔-库伦屈服准则进行修正,得到横观各向同性损伤模型,通过数值试验验证其合理性,并将其应用于隧道工程实例中。本文主要研究内容如下:(1)论述了选题目的及意义;对层状岩体强度各向异性研究、岩体损伤力学研究、数值试验及围岩数值分析研究现状进行综述;指出本文的主要工作内容及技术路线。(2)将层状岩体按照不同层面倾角制成标准圆柱试件进行单轴压缩试验;对各组试件应力-应变曲线的发展规律进行分析;分别计算每组试件的抗压强度和弹性模量,并探讨它们随层面倾角的变化规律。(3)通过岩石损伤统计强度理论及Weibull分布方程求解每组试件的损伤变量,探讨损伤变量的发展趋势;基于不同应变水平分析损伤变量的各向异性;通过损伤变量各向异性度对损伤变量的各向异性进行定量描述;对损伤变量大小与试件破坏形态的关联性进行分析。(4)用平行于层面和沿层面法向方向的两组损伤变量对横观各向同性弹性矩阵进行修正;通过坐标转换得到整体坐标系下的横观各向同性有效弹性矩阵;提取其中的损伤矩阵并分析其力学性质;用损伤变量对摩尔-库伦屈服准则进行修正,与最大拉应力准则共同作为横观各向同性损伤模型的屈服判据。(5)用C++对横观各向同性损伤模型进行二次开发;基于自定义本构模型用FLAC~(3D)软件对本文所做单轴压缩试验进行模拟;通过将计算所得的抗压强度、弹性模量与试验结果进行对比验证了模拟曲线在峰前部分的合理性;通过引用一组三轴压缩试验进行数值模拟验证了模拟曲线在峰后部分的合理性。(6)建立隧道工程的实体模型,分别基于横观各向同性损伤模型和摩尔-库伦模型对隧道工程初支阶段进行数值模拟,从应力、位移、破坏区及支护结构内力等方面对两种计算结果进行对比;结合监测结果对比拱顶沉降与边墙收敛,验证横观各向同性损伤模型的可靠性。(7)最后,总结本文所得结论及成果,并对尚待进一步深入研究的问题作了展望。本文综合考虑层状岩体力学性质各向异性及力学参数损伤劣化,推导了横观各向同性损伤模型,通过C++二次开发后将自定义本构模型内嵌至FLAC~(3D),可为隧道工程中围岩稳定性的计算提供参考。
【学位单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U451.2
【部分图文】：

技术路线图

试验结果并进行记录。方法制备验所采用的岩石为三叠系下统安顺组三段地层的中风化薄贵州大学图书馆附近，采用人工制样的方法，按照不同的行钻样，制成层面倾角β分别为 0°、15°、30°、45°、60° 8 组试样（φj为岩体结构面的内摩擦角，由直剪试验得β=53°制样），每组制 6 个，且每组的 6 个试样取自同一岩 所示（邓华锋等，2017）。最后对钻取的试样进行切割、m，高为 100mm 的标准圆柱体试件，试件的高度、直径0.3mm，两端面的不平整度允许偏差为±0.05mm，端面与偏差为±0.25°，制成的各组试件如图 2.2 所示（黄春，20

（g）β = 75° （h）β = 90°图 2.2 各倾角试件图2.3.2 试验步骤试验前，在试件表面沿横向和纵向分别设置一组电阻应变片，以分别采集试件表面的横向和纵向应变，同时准备一个备用试件，按相同方式设置应变片，以做温度补偿之用。贴片前先用砂纸把试件表面打磨光滑，再用酒精擦拭、清理，应变片用 502 胶水进行固定。将应变片与 DH-3818 静态应变数据采集仪进行连接，连接方式为 1/4 桥，同时接入备用试件进行温度补偿。测量导线电阻，将应变计电阻和导线电阻输入采集仪控制软件中，加载前先进行平衡，加载开始时启动采样。将试件放在 WAW-1000kN 型微机控制电液伺服万能试验机的承压板中心，用控制软件对应力、应变进行调零，加载采用位移控制，速率为 0.2mm/min，加载方式如图 2.3 所示。
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本文编号：2868100