节理地层隧道塌方演化规律的离散元研究

发布时间：2017-09-24 13:35

  本文关键词：节理地层隧道塌方演化规律的离散元研究

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【摘要】：这十年来,交通拥堵越来越成为大城市病中最突出的一个。各大城市为了缓解交通压力,竞相开发地下空间,隧道修建愈演愈烈。隧道工程中所遇到的情况愈发复杂,尤其是在节理发育地层中进行隧道开挖给施工带来了巨大的难度和风险。从大部分隧道工程事故原因调查来看,节理发育岩体的破坏是从不连续面扩展开始的,逐渐出现大的变形和位移,最后致使塌方发生。所以,探究节理岩体的力学特性对实际工程有着显著的帮助。本文首先通过室内试验研究新鲜砂岩的强度变形特征以及人工预制节理面的抗剪强度,并研究了不同倾角节理面对新鲜砂岩强度变形特征的影响,然后利用颗粒流数值模拟软件PFC~(2D)对新鲜砂岩的三轴压缩试验、节理面直剪试验以及不同倾角的节理砂岩的三轴压缩试验进行仿真模拟,建立新鲜砂岩及人工预制节理面宏细观参数间的对应关系,最后对节理地层深埋隧道的开挖过程进行模拟,研究了不同倾角节理对隧道围岩变形破坏特征的影响,并对开挖后衬砌支护的效果进行了定性分析。具体说来如下:(1)通过岩石常规三轴压缩试验,获得完整砂岩的力学特性,为分析节理对完整砂岩力学特性的影响提供依据;通过节理面的直接剪切试验,获得节理面的力学特性,为分析节理存在对深埋隧道开挖围岩变形的影响提供依据;通过不同节理倾角砂岩的三轴压缩试验,获得不同节理倾角条件下砂岩的变形破坏规律,为分析不同倾角节理地层中隧道开挖后围岩的变形演化规律提供依据。(2)利用颗粒流数值模拟软件PFC~(2D)开展一系列数值模拟试验,对上述室内试验进行仿真模拟,建立新鲜砂岩及人工预制节理面宏细观强度变形参数间的对应关系。(3)基于室内试验仿真模拟的结果,对节理地层深埋隧道的受力进行模拟,分析不同倾角节理地层中隧道围岩的变形破坏演化特征,并从细观机制解释了隧道垮塌的原因,通过对比有衬砌支护时隧道围岩的变形演化规律,表明衬砌对隧道围岩变形有明显的抑制作用,支护可保证隧道的安全。
【关键词】：节理 室内试验 PFC~(2D) 数值模拟 深埋隧道
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U458.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 研究意义10
• 1.2 研究现状10-13
• 1.2.1 节理岩体力学性质的国内外研究现状10-11
• 1.2.2 节理岩体模拟的研究现状11-12
• 1.2.3 离散单元法模拟节理岩体的研究现状12-13
• 1.3 主要研究内容及技术路线13-14
• 1.3.1 主要研究内容13
• 1.3.2 技术路线13-14
• 1.4 本章小结14-16
• 第二章 离散元方法及节理面力学分析理论16-32
• 2.1 离散元方法(Discrete Element Method)概述16-18
• 2.1.1 离散元法的基本原理16
• 2.1.2 离散元法的发展历程16-17
• 2.1.3 几种常用的数值模拟方法对比17-18
• 2.2 颗粒流程序PFC(Particle Flow Code)18-25
• 2.2.1 颗粒流程序PFC概述18
• 2.2.2 PFC~(2D)/3D基本假定18
• 2.2.3 颗粒流程序PFC的基本原理18-21
• 2.2.4 颗粒流的接触模型21-24
• 2.2.5 边界条件的施加24
• 2.2.6 颗粒流细观参数影响分析24-25
• 2.3 颗粒流数值模拟的发展趋势25-26
• 2.3.1 应用PFC~(2D)/3D存在的难点25-26
• 2.3.2 颗粒流方法的发展趋势26
• 2.4 节理面力学分析理论26-29
• 2.4.1 节理面的变形特性26-28
• 2.4.2 节理面的强度特性28-29
• 2.5 PFC~(2D)中节理面的生成29-30
• 2.6 本章小结30-32
• 第三章 砂岩及人工节理面强度变形特征的室内试验研究32-40
• 3.1 试验目的32
• 3.2 新鲜砂岩的三轴压缩试验32-36
• 3.2.1 三轴压缩试验的基本原理32
• 3.2.2 三轴压缩试验过程32-33
• 3.2.3 新鲜砂岩三轴压缩试验结果及分析33-36
• 3.3 节理面直剪试验36-38
• 3.3.1 节理面直剪试验的基本原理36
• 3.3.2 节理面直剪试验过程36-37
• 3.3.3 节理面直剪试验结果及分析37-38
• 3.4 节理砂岩三轴压缩试验38-39
• 3.4.1 节理砂岩三轴压缩试验过程38
• 3.4.2 节理砂岩三轴压缩试验结果及分析38-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第四章 基于室内试验的颗粒流数值模拟40-62
• 4.1 颗粒流模拟室内试验的基本原理40-42
• 4.1.1 颗粒流模拟室内试验的基本步骤40
• 4.1.2 伺服机制控制围压稳定的基本原理40-41
• 4.1.3 加载速度的控制标准41-42
• 4.2 新鲜砂岩三轴压缩试验的颗粒流模拟42-51
• 4.2.1 新鲜砂岩三轴压缩试验的颗粒流模型42-43
• 4.2.2 模型边界条件43-44
• 4.2.3 细观力学参数44
• 4.2.4 模拟结果及分析44-51
• 4.3 节理砂岩直剪试验的颗粒流模拟51-54
• 4.3.1 节理砂岩直剪试验的颗粒流模型51-52
• 4.3.2 模型边界条件52
• 4.3.3 细观力学参数52-53
• 4.3.4 模拟结果及分析53-54
• 4.4 节理砂岩三轴压缩试验的颗粒流模拟54-60
• 4.4.1 节理砂岩三轴压缩试验的颗粒流模型54
• 4.4.2 模型边界条件54
• 4.4.3 细观力学参数54-55
• 4.4.4 模拟结果及分析55-60
• 4.5 本章小结60-62
• 第五章 节理地层隧道塌方演化规律的离散元模拟62-74
• 5.1 项目背景62
• 5.2 计算模型62-64
• 5.3 细观力学参数64-65
• 5.4 边界条件65
• 5.5 隧道开挖模拟及结果分析65-70
• 5.6 衬砌支护设计及效果分析70-73
• 5.7 本章小结73-74
• 第六章 结论及展望74-78
• 6.1 结论74-75
• 6.2 展望75-78
• 致谢78-80
• 参考文献80-84
• 攻读学位期间取得的研究成果84

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本文编号：911732