基于突变理论的地下洞室围岩稳定性分析

发布时间：2017-04-26 06:01

  本文关键词：基于突变理论的地下洞室围岩稳定性分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着近年来我国水利事业重心逐渐转移到西南高山峡谷当中,地下厂房已经成为水利枢纽建设中至关重要的一环,因而地下厂房围岩体系的稳定性研究也显得至关重要,不仅关系着地下工程的使用功能的实现,更直接影响着施工人员的生命安全。但是由于岩土工程特殊的非线性和复杂性,对围岩稳定的分析方法还没有形成一个为业界广泛接受的方案,本文试图以突变理论为基础,以有限元数值分析方法为手段,对地下洞室围岩稳定状况提供一个量化的指标。本论文的工作主要集中在以下四个方面:(1)依据尖点突变的平衡曲面和投影面形式,详细阐述了控制变量的连续移动如何引起状态变量的突变。突变特征值是判断是否发生突变的主要指标,只有当突变特征值由正数变为负数再变为正数时,此时平衡点的投影穿过分叉点集,平衡点由上叶(下叶)经分歧点集跳跃到下叶(上叶),状态变量发生突变。通过分析平衡点投影的运动轨迹,可以得到突变发生的详细过程。(2)对于无法得到势函数准确表达式的情况,可以通过一系列模拟计算得到的特解来反演出势函数的近似形式。利用广义非线性反演的办法,将特解值序列反演得到状态变量的非线性动力学方程,然后推出势函数的表达式,并通过线性变化转化为尖点突变的标准形式,此时得到的势函数是模型某一阶段平均状态所对应的势函数。(3)通过分析开挖过程中围岩状态的变化,选出洞周最大位移、应变能、塑性耗散能和熵这四个最能代表围岩整体状态变化的量作为失稳判据。通过计算每一步开挖之后,四个判据的取值,拟合得到分别以位移、应变能、塑性耗散能和熵作为状态变量的势函数和突变特征值,通过对突变特征值和平衡点投影迁移轨迹的分析来确定围岩失稳发生时所在的开挖步。(4)对于开挖之后能保持稳定的系统,利用强度折减法计算其不同折减系数下对应的拱顶位移、应变能和屈服面积,以这三个判据作为状态变量,反演得到势函数和尖点突变的标准形式,计算得到突变特征值,分析突变特征值的变化情况得到发生突变的折减系数,即为系统的安全系数。
【关键词】：地下工程 围岩稳定 尖点突变 非线性反演 强度折减
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV223
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 研究背景和意义8-9
• 1.2 研究现状9-15
• 1.2.1 解析法10
• 1.2.2 围岩分类法10-11
• 1.2.3 工程类比法11-12
• 1.2.4 地质力学模型试验12-13
• 1.2.5 数值模拟法13-14
• 1.2.6 研究现状总结14-15
• 1.3 主要研究内容15-16
• 第2章 突变理论基本原理16-22
• 2.1 基本理论16-18
• 2.2 尖点突变模型18-20
• 2.3 突变理论的使用形式20-21
• 2.4 小结21-22
• 第3章 围岩稳定突变模型构建22-36
• 3.1 构建突变理论判据22-27
• 3.1.1 位移判据22-24
• 3.1.2 塑性耗散能判据24-25
• 3.1.3 应变能判据25
• 3.1.4 熵判据25-27
• 3.2 反演非线性动力模型27-30
• 3.3 判据的突变分析模型30-31
• 3.4 扁平拱失稳的突变模型分析31-34
• 3.5 小结34-36
• 第4章 地下洞室围岩稳定性突变模型算例分析36-61
• 4.1 算例模型构建36-40
• 4.1.1 模型几何参数36-37
• 4.1.2 有限元模型37-38
• 4.1.3 子开挖步设计38-39
• 4.1.4 有限元计算流程39-40
• 4.2 计算结果分析40-49
• 4.2.1 位移判据40-42
• 4.2.2 塑性耗散能判据42-45
• 4.2.3 应变能判据结果45-47
• 4.2.4 熵判据结果47-49
• 4.3 综合分析49-51
• 4.3.1 计算结果合理性分析49-51
• 4.3.2 突变判据的对比分析51
• 4.4 基于突变理论与强度折减法的围岩安全系数分析51-60
• 4.4.1 计算原理51-52
• 4.4.2 模型设计52-53
• 4.4.3 基于塑性耗散能判据的安全系数计算结果53-55
• 4.4.4 基于应变能判据的安全系数分析55-57
• 4.4.5 基于屈服单元数的安全系数分析57-58
• 4.4.6 安全系数分析结果58-60
• 4.5 小结60-61
• 第5章 结果与展望61-63
• 5.1 主要结论61-62
• 5.2 进一步研究设想62-63
• 参考文献63-66
• 致谢66-68
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果68

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本文编号：327839