基于改进单元安全度ZSI的富水区隧道稳定性分析
发布时间：2021-12-11 18:26
随着交通运输需求的增加,中国的隧道工程区域分布越来越广泛,数量亦随之增加。在隧道开挖过程中,复杂的地质和地下水情况严重影响了隧道围岩的稳定性,同时,增加了现场施工难度,提高了工程成本。然而现阶段围岩稳定性评价指标尚不完善,对其进行深入研究具有重要意义。本文针对富水区隧道围岩稳定性从以下几个方面进行研究:（1）在现有的屈服、破坏接近度的基础上,通过单元应力应变状态表征单元安全程度,推导出基于遍布节理模型的改进单元安全度（ZSIsu）公式,通过FISH语言编制ZSIsu程序,并在FLAC3D有限元软件中进行验证,进而对节理分布较均匀岩体的安全性进行评价,同时研究了节理倾角对ZSIsu的影响规律。（2）针对破碎程度不同的节理岩体,推导了 Hoek-Brown准则和Mohr-Coulomb准则的参数等效关系式,推导并编写了基于Hoek-Brown准则的改进单元安全度（ZSIhb）程序。在有限元软件FLAC3D和MIDAS中运行程序,对比说明程序的正确性,并分析了 Hoek-Brown准则强度参数对ZSIhb的影响。（3）将ZSIsu程序与岩体渗透系数结合,推导出单元渗透系数随单元屈服破坏程度变...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１节理弱面局部坐标??Ｆｉｇ．?２．１?Ｌｏｃａｌ?ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ?ｏｆ?ａ?ｗｅａｋ?ｊｏｉｎｔ?ｐｌａｎｅ??
??软化路径形成。因此，该模型既能定义节理的走向，又能描述单元和节理发生屈服后，??强度参数硬化／软化的程度。当岩体和节理未发生屈服破坏时，强度参数黏聚力、内摩擦??角、抗拉强度保持不变，一旦岩体和节理出现屈服破坏现象，强度参数根据应变硬化／软??化参数进行弱化。其中，黏聚力、内摩擦角的应变硬化／软化参数与塑性剪切应变相关，??抗拉强度的应变硬化／软化参数与塑性张拉应变相关。??（１）强度准则??ＦＬＡＣ３Ｄ中规定压应力为负值，拉应力为正值，岩土体破坏准则在??主应力平面内显示如图２．２。岩土体破坏包络线由两个剪切破坏准则／／＝０（ＡＢ段）、??／ｓ＝〇?（ＢＣ段）及一个张拉破坏准则／＝０（ＣＤ段）构成。ＡＢ、ＢＣ剪切破坏段分别由两个??特征值黏聚力ｃ２、Ｃ１和摩擦角％、的进行描述，ＣＤ拉伸破坏段由抗拉强度Ａ正值）表??示。表达式如下：??＇卜?（２３）??ｆｌ?＝ｃｊ３－?＆?（２．４）??式中：ｃ为黏聚力（Ｐａ）；?ｐ为岩体内摩檫角；（ｊ３为最小主应力（Ｐａ）；?ｑ为最大主应??力（Ｐａ）；?Ｖ为抗拉强度（Ｐａ）；?＝（ｌ?＋?ｓｉｎ＃）／（ｌ?—ｓｉｎ＃）。??ｃ２／ｔａｎ?＾?２??ａ?ｃ，／ｔａｎ＾，??图２．２岩土介质破坏准则??Ｆｉｇ．?２．２?Ｆａｉｌｕｒｅ?ｃｒｉｔｅｒｉａ?ｏｆ?ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ??－１１?－??
?基于改进单元安全度ＺＳＩ的富水区隧道稳定性分析???同样，节理弱面破坏包络线对应两个剪切破坏准则广＝〇（ＡＢ段）、ｙｒ＝〇（ＢＣ段）??及一个张拉破坏准则／＇＝〇（ＣＤ段），如图２．３所示。ＡＢ、ＢＣ段分别由黏聚力ｃ／２、Ｃ＿／１??和摩擦角＿、你描述，ＣＤ段由抗拉强度〇／（正值）表不。具体表达式如Ｆ：??ｆｓ?＝?ｒ?＋?ｃｒ２２?ｔａｎ＾．?－Ｃｊ?（２．５）??ｆ?＝ａ２ｉ－ａ，ｊ?（２．６）??式中：ｃｙ为黏聚力（Ｐａ）；?Ｗ为岩体内摩擦角；＜７／为抗拉强度（Ｐａ）；?ｒ为节理面剪切应??力（Ｐａ）；?为节理弱面在局部坐标系下中间主应力。对于摩擦角防！不为零的节理弱面，??抗拉强度最大值为＝ｃ；１?／ｔａｎＡ。??图２．３节理弱面破坏准则??Ｆｉｇ．?２．３?Ｆａｉｌｕｒｅ?ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ?ｏｆ?ｊｏｉｎｔ?ｗｅａｋ?ｓｕｒｆａｃｅ??（２）软／硬化参数??双线性应变硬化／软化遍布节理模型中，单元一旦发生塑性屈服，强度参数（黏聚力、??内摩擦角、抗拉强度）将在对应的峰值和残余值范围内进行线性调整。在考虑岩体和节理??硬化／软化时，定义了四个独立的硬化／软化参数：??（ａ）Ｐ：用以计算岩土体材料的塑性剪切应变，用来调整黏聚力和内摩擦角；??（ｂ）?＆用以计算岩土体材料的塑性体积拉应变，用来调整抗拉强度；??（ｃ）Ｖ：用以计算节理的塑性剪切应变，用来调整节理的黏聚力和内摩擦角；??（ｄ）／ｔ／：用以计算节理的塑性体积拉应变，用来调整节理的抗拉强度。??四个硬化／软化参数均定义成塑性应变增量和的形式，各个增量由计算域内三角形??的硬化／软化增量平均值而得。岩土体硬化／软化参数Ｐ、Ｖ计算公式如式（２
【参考文献】：
期刊论文
[1]突变理论在地质力学模型试验失稳判据中的应用[J]. 董建华,张林,徐远飞,陈建叶,刘玉琨. 工程科学与技术. 2017(04)
[2]基于单元状态指标的盾构隧道水-力耦合模拟分析[J]. 马春景,姜谙男,江宗斌,王善勇. 岩土力学. 2017(06)
[3]基于广义Hoek-Brown准则的节理岩体强度及变形参数随机分析[J]. 程爱平,肖术,许梦国,王平,刘艳章. 岩土力学. 2017(01)
[4]玄武岩纤维混凝土隧道衬砌承载特性模型试验研究[J]. 崔光耀,王道远,倪嵩陟,朱长安,袁金秀,周济民. 岩土工程学报. 2017(02)
[5]十字岩柱法隧道开挖地质力学模型试验研究[J]. 刘泉声,雷广峰,肖龙鸽,王俊涛,张静. 岩石力学与工程学报. 2016(05)
[6]岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究（Ⅱ）:参数反演及数值模拟[J]. 王军祥,姜谙男,宋战平. 岩土力学. 2015(12)
[7]跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟[J]. 徐前卫,程盼盼,朱合华,丁文其,李元海,王婉婷,罗云. 岩石力学与工程学报. 2016(03)
[8]公路隧道开挖问题的复变函数解及应用[J]. 邓涛,魏雯,关振长,缪圆冰. 中国公路学报. 2015(10)
[9]基于尖点突变理论的非均质土坡失稳判据分析[J]. 史俊涛,孔思丽,贺俊,黄春晖. 长江科学院院报. 2015(05)
[10]基于广义Hoek-Brown强度准则的岩体应变软化行为模型[J]. 韩建新,李术才,汪雷,张永伟,杨为民. 中南大学学报(自然科学版). 2013(11)
博士论文
[1]基于不确定性理论的隧道围岩稳定性及风险分析研究[D]. 张永杰.湖南大学 2010
[2]基于破坏接近度的岩石工程安全性评价方法的研究[D]. 张传庆.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2006
[3]隧道结构失稳及判据研究[D]. 陈先国.西南交通大学 2002
硕士论文
[1]岩石破坏渗流机理的实验及数值模拟研究[D]. 刘洪磊.东北大学 2008
本文编号：3535171
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１节理弱面局部坐标??Ｆｉｇ．?２．１?Ｌｏｃａｌ?ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ?ｏｆ?ａ?ｗｅａｋ?ｊｏｉｎｔ?ｐｌａｎｅ??
??软化路径形成。因此，该模型既能定义节理的走向，又能描述单元和节理发生屈服后，??强度参数硬化／软化的程度。当岩体和节理未发生屈服破坏时，强度参数黏聚力、内摩擦??角、抗拉强度保持不变，一旦岩体和节理出现屈服破坏现象，强度参数根据应变硬化／软??化参数进行弱化。其中，黏聚力、内摩擦角的应变硬化／软化参数与塑性剪切应变相关，??抗拉强度的应变硬化／软化参数与塑性张拉应变相关。??（１）强度准则??ＦＬＡＣ３Ｄ中规定压应力为负值，拉应力为正值，岩土体破坏准则在??主应力平面内显示如图２．２。岩土体破坏包络线由两个剪切破坏准则／／＝０（ＡＢ段）、??／ｓ＝〇?（ＢＣ段）及一个张拉破坏准则／＝０（ＣＤ段）构成。ＡＢ、ＢＣ剪切破坏段分别由两个??特征值黏聚力ｃ２、Ｃ１和摩擦角％、的进行描述，ＣＤ拉伸破坏段由抗拉强度Ａ正值）表??示。表达式如下：??＇卜?（２３）??ｆｌ?＝ｃｊ３－?＆?（２．４）??式中：ｃ为黏聚力（Ｐａ）；?ｐ为岩体内摩檫角；（ｊ３为最小主应力（Ｐａ）；?ｑ为最大主应??力（Ｐａ）；?Ｖ为抗拉强度（Ｐａ）；?＝（ｌ?＋?ｓｉｎ＃）／（ｌ?—ｓｉｎ＃）。??ｃ２／ｔａｎ?＾?２??ａ?ｃ，／ｔａｎ＾，??图２．２岩土介质破坏准则??Ｆｉｇ．?２．２?Ｆａｉｌｕｒｅ?ｃｒｉｔｅｒｉａ?ｏｆ?ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ??－１１?－??
?基于改进单元安全度ＺＳＩ的富水区隧道稳定性分析???同样，节理弱面破坏包络线对应两个剪切破坏准则广＝〇（ＡＢ段）、ｙｒ＝〇（ＢＣ段）??及一个张拉破坏准则／＇＝〇（ＣＤ段），如图２．３所示。ＡＢ、ＢＣ段分别由黏聚力ｃ／２、Ｃ＿／１??和摩擦角＿、你描述，ＣＤ段由抗拉强度〇／（正值）表不。具体表达式如Ｆ：??ｆｓ?＝?ｒ?＋?ｃｒ２２?ｔａｎ＾．?－Ｃｊ?（２．５）??ｆ?＝ａ２ｉ－ａ，ｊ?（２．６）??式中：ｃｙ为黏聚力（Ｐａ）；?Ｗ为岩体内摩擦角；＜７／为抗拉强度（Ｐａ）；?ｒ为节理面剪切应??力（Ｐａ）；?为节理弱面在局部坐标系下中间主应力。对于摩擦角防！不为零的节理弱面，??抗拉强度最大值为＝ｃ；１?／ｔａｎＡ。??图２．３节理弱面破坏准则??Ｆｉｇ．?２．３?Ｆａｉｌｕｒｅ?ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ?ｏｆ?ｊｏｉｎｔ?ｗｅａｋ?ｓｕｒｆａｃｅ??（２）软／硬化参数??双线性应变硬化／软化遍布节理模型中，单元一旦发生塑性屈服，强度参数（黏聚力、??内摩擦角、抗拉强度）将在对应的峰值和残余值范围内进行线性调整。在考虑岩体和节理??硬化／软化时，定义了四个独立的硬化／软化参数：??（ａ）Ｐ：用以计算岩土体材料的塑性剪切应变，用来调整黏聚力和内摩擦角；??（ｂ）?＆用以计算岩土体材料的塑性体积拉应变，用来调整抗拉强度；??（ｃ）Ｖ：用以计算节理的塑性剪切应变，用来调整节理的黏聚力和内摩擦角；??（ｄ）／ｔ／：用以计算节理的塑性体积拉应变，用来调整节理的抗拉强度。??四个硬化／软化参数均定义成塑性应变增量和的形式，各个增量由计算域内三角形??的硬化／软化增量平均值而得。岩土体硬化／软化参数Ｐ、Ｖ计算公式如式（２
【参考文献】：
期刊论文
[1]突变理论在地质力学模型试验失稳判据中的应用[J]. 董建华,张林,徐远飞,陈建叶,刘玉琨. 工程科学与技术. 2017(04)
[2]基于单元状态指标的盾构隧道水-力耦合模拟分析[J]. 马春景,姜谙男,江宗斌,王善勇. 岩土力学. 2017(06)
[3]基于广义Hoek-Brown准则的节理岩体强度及变形参数随机分析[J]. 程爱平,肖术,许梦国,王平,刘艳章. 岩土力学. 2017(01)
[4]玄武岩纤维混凝土隧道衬砌承载特性模型试验研究[J]. 崔光耀,王道远,倪嵩陟,朱长安,袁金秀,周济民. 岩土工程学报. 2017(02)
[5]十字岩柱法隧道开挖地质力学模型试验研究[J]. 刘泉声,雷广峰,肖龙鸽,王俊涛,张静. 岩石力学与工程学报. 2016(05)
[6]岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究（Ⅱ）:参数反演及数值模拟[J]. 王军祥,姜谙男,宋战平. 岩土力学. 2015(12)
[7]跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟[J]. 徐前卫,程盼盼,朱合华,丁文其,李元海,王婉婷,罗云. 岩石力学与工程学报. 2016(03)
[8]公路隧道开挖问题的复变函数解及应用[J]. 邓涛,魏雯,关振长,缪圆冰. 中国公路学报. 2015(10)
[9]基于尖点突变理论的非均质土坡失稳判据分析[J]. 史俊涛,孔思丽,贺俊,黄春晖. 长江科学院院报. 2015(05)
[10]基于广义Hoek-Brown强度准则的岩体应变软化行为模型[J]. 韩建新,李术才,汪雷,张永伟,杨为民. 中南大学学报(自然科学版). 2013(11)
博士论文
[1]基于不确定性理论的隧道围岩稳定性及风险分析研究[D]. 张永杰.湖南大学 2010
[2]基于破坏接近度的岩石工程安全性评价方法的研究[D]. 张传庆.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2006
[3]隧道结构失稳及判据研究[D]. 陈先国.西南交通大学 2002
硕士论文
[1]岩石破坏渗流机理的实验及数值模拟研究[D]. 刘洪磊.东北大学 2008
本文编号：3535171
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