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

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　　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(dòng)態(tài)平衡變化中，使隧道開挖、運(yùn)營與失穩(wěn)密切相聯(lián)，各種危害隧道安全的災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，給國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大的損失，產(chǎn)生嚴(yán)重的社會(huì)影響?！　≡谒淼绹鷰r與周圍環(huán)境相互作用中，滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)之間存在高度非線性的復(fù)雜耦合作用。近年來，對(duì)巖體飽和滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)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(kuò)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(duì)裂紋擴(kuò)展過程中的滲透性演化及其力學(xué)機(jī)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(duì)巖體圍巖變形機(jī)理、破壞情況和強(qiáng)度特征的認(rèn)識(shí)，為隧道選線布置、開挖及結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)技術(shù)支持，增強(qiáng)隧道災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)的應(yīng)對(duì)能力，對(duì)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(duì)隧道開挖產(chǎn)生原巖應(yīng)力的變化，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行了研究?；谙嚓P(guān)統(tǒng)計(jì)及試驗(yàn)資料，分析了隧道圍巖與支護(hù)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(duì)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(dòng)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(duì)巖石孔隙率、滲透率等物理特性的影響?！　?3)采用統(tǒng)計(jì)理論研究巖石損傷變形破裂過程。針對(duì)巖石屈服或破壞后仍具有一定承載能力的特點(diǎn)，對(duì)損傷進(jìn)行修正，建立了更能夠反映實(shí)際的巖石統(tǒng)計(jì)損傷修正本構(gòu)方程。損傷修正系數(shù)、統(tǒng)計(jì)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(shí)測(cè)曲線，具有明顯的優(yōu)越性。　　(4)應(yīng)用連續(xù)性方程、線動(dòng)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(duì)飽和狀態(tài)下滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)控制方程分別進(jìn)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(duì)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(duì)求解過程進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，以FLAC3D有限差分軟件為平臺(tái)，進(jìn)行了軟件二次開發(fā)，程序計(jì)算過程簡(jiǎn)潔、便于實(shí)現(xiàn)。　　(6)針對(duì)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(yùn)算方法(HPS)，算法在分層優(yōu)化方法中引入模式搜索，實(shí)施模式分層運(yùn)算，改變求解機(jī)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(jìn)行了實(shí)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(cè)工程實(shí)例實(shí)施數(shù)值模擬計(jì)算，進(jìn)行程序檢測(cè)驗(yàn)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(shí)際工程研究中，輔助隧道設(shè)計(jì)和施工。　　

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