热-应力-损伤耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性分析
发布时间：2020-02-09 01:56
【摘要】：以热力学和弹塑性力学理论为基础,分析岩石热-力完全耦合作用及其对力学参数和热特性参数的影响,建立了岩石热-力-损伤耦合模型及其参数演化方程,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发,并通过典型算例验证了岩石热-力完全耦合的重要性。然后以某深埋软岩隧洞为例,研究温度和开挖卸载共同作用下的隧洞围岩力学行为和损伤过程。计算结果表明:温度对岩石的力学性质和损伤演化过程影响显著,开挖损伤和热应力诱发的损伤对围岩热力学参数的影响不可忽略;所提出的力学模型可以有效反映围岩损伤演化、调热圈演化以及热力学参数演化,具有一定的借鉴作用。
【图文】：
2378岩土力学2014年图3岩石热-弹塑性损伤程序二次开发流程Fig.3Flowchartofsecondarydevelopmentofthermo-mechanicalcouplingmodel4岩石热-力完全耦合验证取一理想的厚壁筒模型为研究对象（见图4），用来验证岩石热-力参数相互耦合的重要性。假设厚壁筒材料的破坏服从Mohr-Coulomb准则，当内摩擦角和膨胀角均为0，并且设定K1时，退化为Mises准则。厚壁筒材料的弹性模量E为300MPa，泊松比为0.25，热传导系数T0k为2.1W/(m·℃)，比热v0c为800J/(kg·℃)，密度为2.3g/cm3，屈服强度c为0.8MPa，初始温度0T为20℃。为了凸显塑性应变对热力学参数的影响，将材料热膨胀系数取为6.05101/℃。模型内半径为0.5cm，外半径为5cm，内壁温度为120℃，外壁温度为20℃。分2种工况进行对比分析，工况1：热-弹塑性力学分析，不考虑热-力参数之间的相互影响；工况2：热-弹塑性力学分析，不计温度对材料力学参数的影响，仅考虑塑性应变对热传导系数和比热的影响。由于缺少试验数据，本文假设材料的热传导系数和比热均按如下公式进行动态演化：图4厚壁筒模型有限元网格Fig.4Finiteelementmeshesofthickcylinder3pl2pl32T32pl2pl2.1,1.0102.10.210.211.010,1.0101.0101.0101.0100.21,1.010k≤≥（11）4pl4pl24v42pl2pl800,1.01016008008001.010,1.0101.0101.0101.0101600,1.010c≤≥（12）温度和等效塑性应变沿筒体径向分布曲线如图5所示。筒体发生塑性变形后，由于材料热传导系数降低以及比热的升高，导致筒体热传导能力降低，工况2中同一?
第8期贾善坡等：热-应力-损伤耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性分析2379(a)温度分布(b)等效塑性应变分布图5工况1、2计算结果比较Fig.5Comparisonbetweencase1andcase2废物的选址等都要求对围岩热-力耦合问题进行深入细致的研究。以某泥岩高放废物处置库工程为背景，试验隧洞埋深为500m，初始地应力为10MPa，侧压力系数为0.7，初始温度为30℃。隧洞直径为4.8m，，衬砌厚度为0.4m，开挖1d后施加衬砌，隧洞内热源温度为80℃，有限元分析模型如图6所示。5.2计算条件假设隧洞开挖时围岩的载荷释放率为30%，暂不考虑泥岩蠕变效应对开挖扰动区的影响。衬砌按弹性材料看待，不考虑温度和应力对衬砌物理参数的影响。具体计算参数如表1、2所示。(a)整体模型(b)局部模型（未开挖）(c)局部模型（开挖支护后）图6有限元计算模型Fig.6Finiteelementmodel表1泥岩计算参数Table1MaterialandmodelparametersofclaystoneE/MPa/(kN/m3)maxc/kParminc/kPa*rc/kPa/(°)0ee/MPa1/211aT0k/(W/(m·℃))v0c/(J/(kg·℃))plmax3000.25208008100180.1870.860.20.30.61.0×10-52.58370.1表2衬砌计算参数Table2MaterialandmodelparametersofliningE/MPa/(kN/m3)Tk/(W/(m·℃))vc/(J/(kg·℃))300.3256.0×10-62.2993相关室内试验研究表明：岩石的热传导系数基本上随着温度的升高而下降[12]，砂岩、黏土岩等沉积岩在温度介于20～300℃时满足如下经验公式：TT0T0201.38exp0.7251130TkkkT（13）式中：T0k为20℃时所对应的初始热传导系数（W/(m·℃)）。Heuze总结了岩石比热与温度的关系[13]，发现岩石
【图文】：
2378岩土力学2014年图3岩石热-弹塑性损伤程序二次开发流程Fig.3Flowchartofsecondarydevelopmentofthermo-mechanicalcouplingmodel4岩石热-力完全耦合验证取一理想的厚壁筒模型为研究对象（见图4），用来验证岩石热-力参数相互耦合的重要性。假设厚壁筒材料的破坏服从Mohr-Coulomb准则，当内摩擦角和膨胀角均为0，并且设定K1时，退化为Mises准则。厚壁筒材料的弹性模量E为300MPa，泊松比为0.25，热传导系数T0k为2.1W/(m·℃)，比热v0c为800J/(kg·℃)，密度为2.3g/cm3，屈服强度c为0.8MPa，初始温度0T为20℃。为了凸显塑性应变对热力学参数的影响，将材料热膨胀系数取为6.05101/℃。模型内半径为0.5cm，外半径为5cm，内壁温度为120℃，外壁温度为20℃。分2种工况进行对比分析，工况1：热-弹塑性力学分析，不考虑热-力参数之间的相互影响；工况2：热-弹塑性力学分析，不计温度对材料力学参数的影响，仅考虑塑性应变对热传导系数和比热的影响。由于缺少试验数据，本文假设材料的热传导系数和比热均按如下公式进行动态演化：图4厚壁筒模型有限元网格Fig.4Finiteelementmeshesofthickcylinder3pl2pl32T32pl2pl2.1,1.0102.10.210.211.010,1.0101.0101.0101.0100.21,1.010k≤≥（11）4pl4pl24v42pl2pl800,1.01016008008001.010,1.0101.0101.0101.0101600,1.010c≤≥（12）温度和等效塑性应变沿筒体径向分布曲线如图5所示。筒体发生塑性变形后，由于材料热传导系数降低以及比热的升高，导致筒体热传导能力降低，工况2中同一?
第8期贾善坡等：热-应力-损伤耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性分析2379(a)温度分布(b)等效塑性应变分布图5工况1、2计算结果比较Fig.5Comparisonbetweencase1andcase2废物的选址等都要求对围岩热-力耦合问题进行深入细致的研究。以某泥岩高放废物处置库工程为背景，试验隧洞埋深为500m，初始地应力为10MPa，侧压力系数为0.7，初始温度为30℃。隧洞直径为4.8m，，衬砌厚度为0.4m，开挖1d后施加衬砌，隧洞内热源温度为80℃，有限元分析模型如图6所示。5.2计算条件假设隧洞开挖时围岩的载荷释放率为30%，暂不考虑泥岩蠕变效应对开挖扰动区的影响。衬砌按弹性材料看待，不考虑温度和应力对衬砌物理参数的影响。具体计算参数如表1、2所示。(a)整体模型(b)局部模型（未开挖）(c)局部模型（开挖支护后）图6有限元计算模型Fig.6Finiteelementmodel表1泥岩计算参数Table1MaterialandmodelparametersofclaystoneE/MPa/(kN/m3)maxc/kParminc/kPa*rc/kPa/(°)0ee/MPa1/211aT0k/(W/(m·℃))v0c/(J/(kg·℃))plmax3000.25208008100180.1870.860.20.30.61.0×10-52.58370.1表2衬砌计算参数Table2MaterialandmodelparametersofliningE/MPa/(kN/m3)Tk/(W/(m·℃))vc/(J/(kg·℃))300.3256.0×10-62.2993相关室内试验研究表明：岩石的热传导系数基本上随着温度的升高而下降[12]，砂岩、黏土岩等沉积岩在温度介于20～300℃时满足如下经验公式：TT0T0201.38exp0.7251130TkkkT（13）式中：T0k为20℃时所对应的初始热传导系数（W/(m·℃)）。Heuze总结了岩石比热与温度的关系[13]，发现岩石
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