考虑流—固耦合与时间效应影响的隧道稳定性分析

发布时间：2017-05-22 10:29

  本文关键词：考虑流—固耦合与时间效应影响的隧道稳定性分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：中国是世界上拥有隧道数量最多,技术发展最快,地质条件和结构形式最为复杂的国家。在众多的隧道当中,绝大多数的隧道存在着渗流和围岩的时间效应问题,也是影响隧道稳定性最为显著的方面。如果处理不当不但会极大地增加施工成本,还会发生灾难性事故,严重威胁着施工人员的安全。本文针对流-固耦合问题与软弱围岩的流变性问题进行了研究,主要的内容和成果如下：(1)总结出定量评价隧道围岩稳定性的方法,通过岩体单元的应力应变状态,推导出单元状态指标(zSI)的计算公式,利用单元状态指标的值来判断隧道围岩的稳定性。通过对岩土工程中的典型问题和试验进行对比,验证了该方法的正确性,为研究隧道流-固耦合与时间效应提供基础。(2)通过ZSI与单元的渗透性建立联系,得出岩体单元渗透系数随应变状态变化的公式,利用FISH语言使其在FLAC3D中得以实现。针对大连地铁202标段进行了应用,并与实际的监测数据进行了对比,对盾构隧道工作面的稳定性进行了分析。(3)针对围岩的时间效应提出了能够全面描述岩土体蠕变的模型,即非线性西原软化模型-NNS模型。该模型将线性的西原模型中的黏壶元件进行了非线性化处理,并添加了应变软化的塑性元件,使得材料的参数随着时间和应变的增加出现衰减,以实现加速蠕变的阶段,更加符合材料的实际情况。并且给出了模型各个参数的辨识方法。(4)对FLAC3D中内置的模型进行二次开发,使得NNS模型在程序中得以实现,给出了相应的技术路线并成功开发,针对模型的弹塑性特性、黏弹性特性和黏弹塑性进行了对比验证。(5)研究了大连陈家店隧道工程围岩的流变特性,进行了NNS模型的应用,提出了合理的施加二衬支护时间,为类似工程提供了参考,具有一定的实际意义。
【关键词】：安全评价 流-固耦合 隧道 流变性 二次开发
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 选题背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-18
• 1.2.1 围岩稳定性安全评价研究现状12-13
• 1.2.2 流-固耦合问题研究现状13-16
• 1.2.3 岩土材料流变问题研究现状16-18
• 1.3 本文研究内容与解决的问题18-20
• 第2章 隧道围岩稳定性定量评价方法与数值分析20-35
• 2.1 隧道围岩稳定性评价指标20-21
• 2.2 单元状态指标定量评价方法21-30
• 2.2.1 单元状态指标ZSI的推导21-26
• 2.2.2 单元状态指标ZSI在FLAC~(3D)中的实现26-30
• 2.3 ZSI在典型岩土工程问题中的应用与验证30-34
• 2.3.1 边坡问题的验证30-32
• 2.3.2 拉伸破坏模拟验证32-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第3章 基于单元状态指标的流-固耦合数值模拟与隧道工程应用35-49
• 3.1 隧道工程中流-固耦合作用35-36
• 3.2 FLAC~(3D)流-固耦合数值模拟理论36-37
• 3.3 流-固耦合数值模拟实例与稳定性分析37-48
• 3.3.1 流-固耦合过程中渗透系数的变化38-39
• 3.3.2 数值模型的建立39-40
• 3.3.3 计算参数和开挖步骤40-42
• 3.3.4 计算结果与分析42-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 围岩的时间效应与流变模型研究49-65
• 4.1 时间效应和与机理49-50
• 4.2 蠕变基本模型简介50-54
• 4.2.1 基本元件简介50-52
• 4.2.2 常见基本模型及蠕变特性52-53
• 4.2.3 蠕变模型的选取方法53-54
• 4.3 岩石蠕变损伤模型54-60
• 4.3.1 西原模型简介55-56
• 4.3.2 NNS模型蠕变特性56-57
• 4.3.3 NNS模型蠕变方程的分段函数表达57-60
• 4.4 NNS模型参数确定方法60-63
• 4.4.1 Hooke体参数的确定60
• 4.4.2 Kelvin体和黏性体参数的确定60-61
• 4.4.3 塑性参数的确定61-63
• 4.5 本章小结63-65
• 第5章 非线性西原软化蠕变模型的二次开发65-82
• 5.1 FLAC~(3D)的二次开发65
• 5.2 NNS模型的差分公式65-73
• 5.2.1 弹性和黏弹性部分表达66-68
• 5.2.2 黏塑性部分表达68-72
• 5.2.3 塑性部分表达72-73
• 5.3 NNS模型的二次开发73-75
• 5.4 NNS模型的模型验证75-81
• 5.4.1 弹塑性特性验证75-78
• 5.4.2 黏弹性特性验证78-79
• 5.4.3 黏弹塑性特性验证79-81
• 5.5 本章小结81-82
• 第6章 基于NNS模型的陈家店隧道时效分析82-93
• 6.1 工程概况与围岩特性82-83
• 6.2 数值模型与计算参数83-85
• 6.3 计算结果分析85-92
• 6.3.1 隧道无支护结构模拟85-90
• 6.3.2 隧道支护方案模拟90-91
• 6.3.3 隧道二衬合理支护时间91-92
• 6.4 本章小结92-93
• 第7章 结论与展望93-95
• 7.1 结论93-94
• 7.2 展望94-95
• 参考文献95-101
• 攻读学位期间公开发表论文101-102
• 致谢102-103
• 研究生履历103

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