【博士】隧道結構穩(wěn)定性及其流固耦合損傷研究【2009】

內容簡介

　　學科專業(yè)：結構工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：武漢理工大學　　學位年度： 2009年　　地下工程從開始發(fā)展，就伴隨著安全穩(wěn)定性研究，賦予復雜地質環(huán)境中的隧道工程，在各種條件變化等干擾因素影響下，隧道圍巖始終處于動態(tài)平衡變化中，使隧道開挖、運營與失穩(wěn)密切相聯(lián)，各種危害隧道安全的災害時有發(fā)生，給國家經(jīng)濟發(fā)展及人民生命財產安全帶來巨大的損失，產生嚴重的社會影響?！　≡谒淼绹鷰r與周圍環(huán)境相互作用中，滲流場和應力場是隧道圍巖體物理地質力學環(huán)境的重要組成部分，兩場之間存在高度非線性的復雜耦合作用。近年來，對巖體飽和滲流場與應力場耦合理論的研究雖然取得了很豐富的成果，但這些成果主要限于分析宏觀裂隙中應力應變狀態(tài)，涉及巖體損傷破裂過程中新裂紋的萌生、擴展和貫通過程中滲透率的演化及其與應力的耦合作用模型較少；對裂紋擴展過程中的滲透性演化及其力學機制等，還沒有完全弄清楚。為此，本文開展了考慮損傷效應的滲流應力耦合作用研究，以加深對巖體圍巖變形機理、破壞情況和強度特征的認識，為隧道選線布置、開挖及結構支護設計提供科學技術支持，增強隧道災害的預測預報和防災減災的應對能力，對保證工程安全和節(jié)省投資具有重大意義?！　”疚闹饕〉靡韵卵芯砍晒骸　?1)針對隧道開挖產生原巖應力的變化，對隧道結構受力特征進行了研究。基于相關統(tǒng)計及試驗資料，分析了隧道圍巖與支護結構承擔的荷載分布規(guī)律，隧道圍巖是造成荷載的主要來源，又主要承擔一定的荷載，具有一定自承穩(wěn)定性能力，提出從耦合角度剖析隧道結構穩(wěn)定性的必要性。　　(2)通過對隧道圍巖滲流理論的研究，建立了自適應滲流模型，模型根據(jù)滲流介質的滲透特性自動選擇相應滲流規(guī)律描述相應介質內的流體滲流，可以方便地描述因滲流速度改變或因壓力梯度改變而引起的流態(tài)變化；結合巖石滲透率理論模型，考察了溫度、壓力等外界環(huán)境影響因素對巖石孔隙率、滲透率等物理特性的影響?！　?3)采用統(tǒng)計理論研究巖石損傷變形破裂過程。針對巖石屈服或破壞后仍具有一定承載能力的特點，對損傷進行修正，建立了更能夠反映實際的巖石統(tǒng)計損傷修正本構方程。損傷修正系數(shù)、統(tǒng)計分布參數(shù)共同影響巖石損傷的等效彈性模量變化和本構方程曲線的形態(tài)，反應了巖體內部裂紋的萌生、發(fā)展、貫通過程及裂紋間相互作用引起的力學效應。模型參數(shù)采用數(shù)學擬合聯(lián)合復合遺傳算法求解，所得方程曲線更接近實測曲線，具有明顯的優(yōu)越性?！　?4)應用連續(xù)性方程、線動量平衡方程、巖石損傷等效彈性模量方程及相應的物性方程，在合理的基本假設基礎上，對飽和狀態(tài)下滲流場和應力場控制方程分別進行了推導，建立了考慮損傷效應的滲流應力耦合模型。在耦合方程組推導過程中，針對巖體損傷效應，考慮了巖體滲流狀態(tài)的變化及巖石孔隙率、滲透率變化。　　(5)結合隧道圍巖的初始條件及邊界條件，研究了考慮損傷效應的滲流應力耦合模型有限差分求解方法，對求解過程進行了程序設計，以FLAC3D有限差分軟件為平臺，進行了軟件二次開發(fā)，程序計算過程簡潔、便于實現(xiàn)。　　(6)針對考慮損傷效應的滲固耦合模型初始地質參數(shù)確定問題提出了模式搜索分層運算方法(HPS)，算法在分層優(yōu)化方法中引入模式搜索，實施模式分層運算，改變求解機制，提高解的精度和穩(wěn)定性，以清江水布埡工程地下洞室初始地質參數(shù)確定為例，進行了實例研究?！　?7)基于建立的耦合模型，應用所開發(fā)的程序對四川蹺磧水電站洞室位移變形監(jiān)測工程實例實施數(shù)值模擬計算，進行程序檢測驗證，并把開發(fā)的程序應用于武漢伏虎山地段地鐵隧道實際工程研究中，輔助隧道設計和施工?！　?

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