【博士】隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其流固耦合損傷研究【2009】

內(nèi)容簡介

　　學(xué)科專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：武漢理工大學(xué)　　學(xué)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(fù)雜地質(zhì)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(zāi)害時有發(fā)生，給國家經(jīng)濟發(fā)展及人民生命財產(chǎn)安全帶來巨大的損失，產(chǎn)生嚴重的社會影響。　　在隧道圍巖與周圍環(huán)境相互作用中，滲流場和應(yīng)力場是隧道圍巖體物理地質(zhì)力學(xué)環(huán)境的重要組成部分，兩場之間存在高度非線性的復(fù)雜耦合作用。近年來，對巖體飽和滲流場與應(yīng)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)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(xué)機制等，還沒有完全弄清楚。為此，本文開展了考慮損傷效應(yīng)的滲流應(yīng)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(jié)構(gòu)支護設(shè)計提供科學(xué)技術(shù)支持，增強隧道災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報和防災(zāi)減災(zāi)的應(yīng)對能力，對保證工程安全和節(jié)省投資具有重大意義。　　本文主要取得以下研究成果：　　(1)針對隧道開挖產(chǎn)生原巖應(yīng)力的變化，對隧道結(jié)構(gòu)受力特征進行了研究?；谙嚓P(guān)統(tǒng)計及試驗資料，分析了隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)承擔(dān)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(dān)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(jié)構(gòu)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(yīng)滲流模型，模型根據(jù)滲流介質(zhì)的滲透特性自動選擇相應(yīng)滲流規(guī)律描述相應(yīng)介質(zhì)內(nèi)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(jié)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(gòu)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(gòu)方程曲線的形態(tài)，反應(yīng)了巖體內(nèi)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(xué)效應(yīng)。模型參數(shù)采用數(shù)學(xué)擬合聯(lián)合復(fù)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(yīng)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(yīng)的物性方程，在合理的基本假設(shè)基礎(chǔ)上，對飽和狀態(tài)下滲流場和應(yīng)力場控制方程分別進行了推導(dǎo)，建立了考慮損傷效應(yīng)的滲流應(yīng)力耦合模型。在耦合方程組推導(dǎo)過程中，針對巖體損傷效應(yīng)，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(jié)合隧道圍巖的初始條件及邊界條件，研究了考慮損傷效應(yīng)的滲流應(yīng)力耦合模型有限差分求解方法，對求解過程進行了程序設(shè)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(yīng)的滲固耦合模型初始地質(zhì)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(zhì)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(yīng)用所開發(fā)的程序?qū)λ拇ㄜE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(yīng)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(shè)計和施工?！　?

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