膨胀岩隧洞时效变形的黏弹塑性力学解析研究

发布时间：2017-06-27 00:01

  本文关键词：膨胀岩隧洞时效变形的黏弹塑性力学解析研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在深埋膨胀岩隧洞工程中,严重的边墙侧移与底板鼓起是常见的工程灾害。阐释了膨胀岩隧洞变形机制,基于湿度应力场理论建立了不同遇水条件下围岩力学基本方程,计算非线性Zhang 3D HB、Hoek-Brown与线性Drucker-Prager强度准则下围岩弹塑性应力分布。在此基础上,借助非关联流动法则、非线性扩容模型、改进蠕变模型计算膨胀岩隧洞黏弹塑性蠕变解,从理论上深化了陈宗基先生“膨胀岩与隧洞稳定”观点。最后针对部分膨胀岩隧洞加速变形破坏的问题,初步探讨了深埋隧洞加速失稳力学规律。通过对比实测数据,可得以下结论:(1)基于湿度应力场理论的数学力学模型能很好地描述膨胀岩隧洞黏弹塑性蠕变特性,包括蠕变衰减特性与亚稳定增长特性;不计非线性扩容影响的恒定扩容角模型存在物理上的错误,具有局限性:蠕变亚稳定增长速率明显偏高,隧洞成洞后即将面临大变形破坏问题。(2)在隧洞开挖与蠕变衰减阶段,随着膨胀系数的增大,洞壁位移及其径向分布均增大;在蠕变衰减与亚稳定阶段,随着Zhang 3D HB强度准则参数的减小,洞壁位移及其径向分布与塑性区半径均增大;这与参数的物理意义一致。在蠕变早期,黏弹性变形起主导作用;在蠕变后期,黏塑性变形起控制作用,探索黏塑性区时效变形对膨胀岩隧洞失稳的预判具有重要的理论指导意义。(3)增大内外水头比值或者减小扩容角,隧洞围岩时效变形渐趋于稳定;考虑扩容、膨胀特性的渗水膨胀岩隧洞围岩时效变形明显大于不考虑情况。(4)采用改进的非线性西原模型描述深埋隧洞围岩蠕变问题,可获得蠕变行为全过程曲线,增大非线性黏塑性体蠕变指数和减小黏滞系数,围岩蠕变行为逐渐由黏弹性过渡到黏弹塑性;岩体强度准则参数m值愈小,岩性愈软,隧洞洞壁蠕变变形量愈大,时效行为主要体现为非线性特征;洞周面力可减小隧洞洞壁变形,对深埋隧洞加速失稳起到一定的延缓作用。本文针对深埋膨胀岩隧洞时效变形与加速失稳力学问题,从理论上深化了此类隧洞变形机制,丰富了修筑于膨胀岩中的水工、矿山和交通隧洞设计理论。
【关键词】：膨胀岩隧洞 时效变形 黏弹塑性 力学解析 变形机制
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-25
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 国内外研究现状11-22
• 1.2.1 基础理论与方程构建11-16
• 1.2.2 数值计算与实测分析16-17
• 1.2.3 解析理论与分析17-22
• 1.3 本文研究内容与技术路线22-23
• 1.3.1 拟解决关键问题22-23
• 1.3.2 研究意义23
• 1.3.3 技术路线23
• 1.4 论文结构安排23-25
• 第2章 吸水膨胀岩隧洞时效变形的黏弹塑性力学解析25-61
• 2.1 概述25
• 2.2 膨胀岩隧洞变形机制25-26
• 2.3 吸水膨胀岩隧洞计算模型26-36
• 2.3.1 基本假设26-27
• 2.3.2 基本方程27-30
• 2.3.3 Zhang 3D HB强度准则30-32
• 2.3.4 非线性扩容模型32-36
• 2.4 吸水膨胀岩隧洞围岩黏塑性区应力场与蠕变场求解36-42
• 2.4.1 塑性中主应力表达式的构建36-37
• 2.4.2 围岩黏塑性区三维应力求解37-39
• 2.4.3 围岩黏塑性区时效变形求解39-42
• 2.5 吸水膨胀岩隧洞围岩黏弹性区应力场与蠕变场求解42-46
• 2.5.1 围岩黏弹性区应力分布42-45
• 2.5.2 围岩黏弹性区时效变形求解45-46
• 2.6 膨胀岩（页岩）隧洞变形的实测数据对比分析46-47
• 2.7 吸水膨胀岩隧洞黏弹塑性蠕变特性分析47-59
• 2.7.1 恒定扩容角模型解法47-48
• 2.7.2 对比恒定扩容角模型计算结果48-53
• 2.7.3 参数敏感性分析53-59
• 2.8 本章小结59-61
• 第3章 渗水膨胀岩隧洞时效变形的黏弹塑性力学解析61-81
• 3.1 概述61-62
• 3.2 渗水膨胀岩隧洞计算模型62-64
• 3.2.1 基本假设62-63
• 3.2.2 基本方程63-64
• 3.3 渗水膨胀岩隧洞开挖卸荷围岩力学响应64-67
• 3.3.1 围岩黏弹塑性区三维应力分布64-66
• 3.3.2 理论解答的广泛意义与相关讨论66-67
• 3.4 渗水膨胀岩隧洞黏弹塑性蠕变解67-72
• 3.4.1 围岩黏弹性区时效变形计算69-70
• 3.4.2 围岩黏塑性区时效变形计算70-72
• 3.5 渗水膨胀岩隧洞黏弹塑性蠕变特性分析72-78
• 3.5.1 计算参数的选取72
• 3.5.2 渗流效应72-75
• 3.5.3 扩容效应75-77
• 3.5.4 对比分析77-78
• 3.6 本章小结78-81
• 第4章 深埋隧洞围岩蠕变全过程的非线性力学解析81-107
• 4.1 概述81-82
• 4.2 膨胀岩隧洞围岩加速失稳力学难题82-87
• 4.2.1 已有蠕变模型的局限性与相关思考82-85
• 4.2.2 超越方程85-87
• 4.3 深埋隧洞围岩蠕变全过程的非线性力学模型87-90
• 4.3.1 基本假设87-88
• 4.3.2 基本方程88-90
• 4.4 深埋隧洞围岩蠕变全过程的非线性应力场90-93
• 4.5 深埋隧洞围岩蠕变全过程的非线性位移解93-96
• 4.5.1 围岩黏弹性区时效变形计算93-94
• 4.5.2 围岩黏塑性区时效变形计算94-96
• 4.6 深埋隧洞围岩蠕变全过程的非线性力学分析96-106
• 4.6.1 计算参数的选取96
• 4.6.2 非线性黏塑性体参数分析96-98
• 4.6.3 洞周面力影响分析98-100
• 4.6.4 扩容敏感性分析100-103
• 4.6.5 不同蠕变模型计算结果对比103-106
• 4.7 本章小结106-107
• 第5章 结论与展望107-111
• 5.1 主要结论107-108
• 5.2 后续研究工作及展望108-111
• 参考文献111-125
• 致谢125-127
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果127-128

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