砂性隧道围岩破坏模式离散元分析
本文关键词：砂性隧道围岩破坏模式离散元分析
更多相关文章： 砂性围岩 颗粒流理论 参数标定 灰关联分析 BP神经网络 破坏模式 塌落拱和压力拱
【摘要】：围岩是隧道工程的主要研究对象。围岩的变形破坏模式是隧道工程设计研究人员一直都重点关注的问题,其对隧道设计时围岩荷载的确定、支护参数的选择及施工方案的确定具有重要意义。砂性隧道围岩主要由砂性土构成,具有松散、破碎和黏聚力低等特性。其塌落破坏具有突发性难以进行预测,且具有不可控性一旦发生灾害会迅速蔓延造成巨大的工程事故。当前普遍采用的基于连续介质理论的研究方法不再很好地适用于离散性较大的砂性隧道围岩,因此有必要引入非连续介质理论来研究。针对这一难题,选择基于离散元理论的克服了小变形限制并允许岩体发生滑移和塌落的颗粒流数值软件PFC2D。其可以模拟出土颗粒间黏结破坏引起的颗粒分离及大变形情形,帮助我们从细观角度研究材料变形及力学特性。围绕砂性隧道围岩破坏模式这一主题进行研究,主要工作和成果如下：(1)基于PFC2D的双轴试验进行砂土PFC细观参数试算。建立试算样本数据库,以期找到和砂土宏观物理力学参数对应的PFC细观参数。进行细观参数对宏观参数的影响性分析,定性分析了各个细观参数对宏观参数的影响。(2)对试算样本数据库进行灰关联分析,建立砂土宏细观参数之间的关联度序列。从定量的角度给出了砂土宏观参数对其PFC细观参数的敏感度分析,对各个细观参数进行分级,找出了各个宏观参数的主细观参数、次细观参数和不敏感参数。(3)将BP人工神经网络应用到细观参数标定,建立并检验可以预测出与目标宏观参数相对应的PFC细观参数的神经网络。基于试算数据库设计并训练BP神经网络。经检验,预测结果满足误差允许范围。说明设计和训练良好的BP神经网络可以进行PFC细观参数预测工作。(4)使用标定得到的砂土PFC细观参数进行砂性围岩中的隧道开挖模拟,研究其破坏模式。首先采用AC/DC方法进行模拟,设置不同的初始地层应力和侧压力系数并在开挖后进行围岩应力监测；然后在地层自重应力状态下模拟隧道开挖,对比深浅埋隧道的塌落破坏过程并描绘塌落拱和压力拱的动态发展过程。(5)砂性隧道围岩自稳能力差在开挖后随即塌落,其变形破坏是一个渐进式发展的过程。围岩初次稳定后会在短时间内随着自身变形发展和应力重分布发生下一次更大范围的变形破坏。再次稳定后循环这一过程,围岩不断向更稳定的状态发展。在整个过程中,压力拱的发展趋势与塌落拱发展相协调。
【关键词】：砂性围岩 颗粒流理论 参数标定 灰关联分析 BP神经网络 破坏模式 塌落拱和压力拱
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451.2
【目录】：
- 致谢5-6
- 摘要6-7
- ABSTRACT7-11
- 1 绪论11-23
- 1.1 研究背景及意义11-12
- 1.2 国内外研究现状12-18
- 1.2.1 砂性围岩的失稳破坏特点12-13
- 1.2.2 砂性围岩的失稳破坏模式13-14
- 1.2.3 针对砂性围岩破坏模式的不同研究方法14-15
- 1.2.4 PFC方法的理论及特点15-18
- 1.3 研究中存在的主要问题18-19
- 1.3.1 砂土接触本构模型的选取及双轴试验参数设定18-19
- 1.3.2 PFC细观参数与材料宏观参数之间关系不明确19
- 1.3.3 砂性隧道围岩破坏模式的研究角度19
- 1.4 砂土研究的主要内容19-20
- 1.4.1 砂土的PFC细观参数标定19-20
- 1.4.2 宏观参数与细观参数之间对应关系分析20
- 1.4.3 砂性隧道围岩开挖模拟及分析20
- 1.5 论文研究的思路方法20-23
- 2 砂土细观参数标定23-43
- 2.1 引言23
- 2.2 接触本构模型描述及选定23-27
- 2.2.1 刚度模型24
- 2.2.2 线形接触模型24-25
- 2.2.3 滑动模型25
- 2.2.4 黏结模型25-27
- 2.3 双轴试验参数标定原理及过程27-33
- 2.3.1 颗粒试样的控制参量27-29
- 2.3.2 加载方式及试验环境29-31
- 2.3.3 模拟砂土双轴试验的控制参量选择31-33
- 2.4 无黏结材料细观参数对宏观参数的影响分析33-41
- 2.4.1 颗粒粒径对宏观参数的影响33-36
- 2.4.2 颗粒接触刚度对宏观参数的影响36-37
- 2.4.3 颗粒法切向刚度比对宏观参数的影响37-39
- 2.4.4 颗粒摩擦系数对宏观参数的影响39-40
- 2.4.5 颗粒集合材料孔隙率对宏观参数的影响40-41
- 2.5 本章小结41-43
- 3 砂土宏细观参数关系及快捷标定方法研究43-65
- 3.1 引言43-44
- 3.2 基于灰色关联度的宏观参数对细观参数的敏感性分析44-51
- 3.2.1 灰关联分析模型原理及方法44-47
- 3.2.2 砂土宏观参数对细观参数的灰关联分析47-51
- 3.3 人工神经元网络标定细观参数51-62
- 3.3.1 BP神经元网络基本原理53-57
- 3.3.2 BP神经网络设计原则57-59
- 3.3.3 BP神经元网络标定细观参数59-62
- 3.4 本章小结62-65
- 4 砂性隧道围岩破坏模式离散元分析65-89
- 4.1 引言65
- 4.2 AC/DC方法介绍65-66
- 4.3 隧道开挖模拟思路66-67
- 4.4 测量圈半径的选择67-70
- 4.5 AC/DC方法隧道开挖模拟及应力监测70-78
- 4.5.1 不同初始应力下的围岩应力变化70-74
- 4.5.2 不同侧压力系数下的围岩应力变化及位移场74-78
- 4.6 地层自重应力状态下隧道开挖模拟78-86
- 4.6.1 浅埋和深埋隧道塌落破坏动态分析79-83
- 4.6.2 砂性围岩深埋隧道塌落拱与压力拱动态分析83-86
- 4.7 本章小结86-89
- 5 结论与展望89-91
- 5.1 主要结论89-90
- 5.2 论文创新点90
- 5.3 展望90-91
- 参考文献91-95
- 作者简历95-99
- 学位论文数据集99
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8 _5_7勇;李圫才;朱}，
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