不同地应力特征及不同屈服准则对地下洞室稳定性影响研究

论文摘要

我国水利资源十分丰富,特别是西南地区,蕴藏着巨大潜力。近年进入规划和设计的西南水电站的建设,正在蓬勃发展。而这些工程多处在高山峡谷地区,电站厂房群采用地下开挖的方法是一个发展趋势。因此,地下工程的稳定性是一个重要的研究课题。地下工程围岩稳定性是一个多因素影响的问题,地应力是重要影响因素之一。本文采用数值分析软件FLAC3D,以双江口工程地下厂房洞群结构为主要背景,主要考虑了4个特征因素,即围岩主要力学参数、洞室埋深、水平向地应力侧压系数、厂房纵轴线与水平向最大主应力夹角这四个因素,采用边墙关键点位移、塑性区及围岩劈裂破坏判据的分析方法,开展多个因素影响下的数值分析,研究不同地应力特征对洞室围岩稳定性的影响。基于对各个因素的分析,在前人提出的边墙关键点位移预测公式基础上,提出在真三维应力条件下的修正公式,使该公式能够预测真三维计算模型的边墙关键点位移。对于厂房纵轴线与水平向最大主应力夹角这一因素,分别依据边墙关键点位移、塑性区体积、劈裂区体积最小的原则计算得到:在不同地应力条件下,最有利于洞室围岩稳定的最大水平主应力和洞室轴线夹角θ,即洞室轴线方位的最优选择。对FLAC3D后处理方面的不足,以前人的FLAC3D-Tecplot的后处理数据转换程序为基础,在该程序中添加了围岩劈裂破坏判据,实现劈裂区判别和数据转换的整合。在地下洞室稳定性分析时,岩石屈服准则的选取也是围岩稳定性研究的一个重要环节。本文以Zienkiewicz-Pande剪切屈服条件为基础,加入拉应力破坏屈服条件,建立基于Zienkiewicz-Pande剪破坏屈服条件和拉应力破坏屈服条件的复合本构模型。利用FLAC3D的二次开发接口,在VC++7.1环境下,将Zienkiewicz-Pande复合本构模型程序化,并被FLAC3D调用和计算。最后,分别采用开发的Zienkiewicz-Pande模型和FLAC3D中自带的Mohr-Coulomb模型、内切圆锥Druker-Prager模型和外接圆锥Druker-Prager模型,对双江口水电站地下厂房洞室群开挖的围岩稳定性进行计算,对照各种围岩破坏指标,论证了不同屈服准则对洞室围岩稳定的影响,并验证了本文开发的Zienkiewicz-Pande模型的正确性和合理性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 地下工程稳定性
• 1.2.2 洞室边墙劈裂现象
• 1.2.3 常用岩土材料屈服准则
• 1.3 本文主要研究内容和技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 本文的创新点
• 第二章 不同地应力特征对洞室围岩稳定性影响的数值分析
• 2.1 数值分析的计算模型
• 2.2 分析对象的参数选取
• 2.2.1 洞室埋深
• 2.2.2 主要的岩石力学参数
• 2.2.3 水平地应力侧压力系数的选取
• 2.2.4 厂房纵轴线与水平向最大主应力夹角θ
• 2.3 洞室围岩稳定性的分析方法
• 2.3.1 边墙关键点位移
• 2.3.2 塑性区体积
• 2.3.3 劈裂区体积
• 2.4 前后处理的开发
• 2.4.1 ANSYS-FLAC的前处理数据转换
• 3D-Tecplot的后处理数据转换'>2.4.2 FLAC^3D-Tecplot的后处理数据转换
• 2.4.2.1 Tecplot后处理软件的基本介绍
• 2.4.2.2 劈裂区判别及数据转换
• 2.5 数值分析的结果
• 2.5.1 埋深对洞室边墙稳定性的影响
• 2.5.2 地应力侧压力系数对洞室边墙稳定性的影响
• 2.5.2.1 边墙关键点位移分析
• 2.5.2.2 塑性区分析
• 2.5.2.3 劈裂区分析
• 2.5.3 厂房纵轴线与水平向最大主应力夹角θ对洞室边墙稳定性影响
• 2.5.3.1 边墙关键点位移分析
• 2.5.3.2 塑性区分析
• 2.5.3.3 劈裂区分析
• 2.5.4 不同地应力条件下最有利于地下洞室围岩边墙稳定的夹角θ
• 2.6 小结
• 3D二次开发'>第三章 ZIENKIEWICZ-PANDE屈服准则本构模型的FLAC^3D二次开发
• 3.1 Zienkiewicz-Pande复合本构模型的建立
• 3.1.1 弹性增量方程
• 3.1.2 复合屈服准则和流动准则
• 3.1.3 弹塑性增量方程
• 3D的二次开发'>3.2 Flac^3D的二次开发
• 3D简介及其开发环境'>3.2.1 FLAC^3D简介及其开发环境
• 3D的计算原理和程序开发流程'>3.2.2 FLAC^3D的计算原理和程序开发流程
• 3.3 不同本构模型的工程应用和比较
• 3D中Mohr-Coulomb模型简要介绍'>3.3.1 FLAC^3D中Mohr-Coulomb模型简要介绍
• 3D中Druker-Prager模型简要介绍'>3.3.2 FLAC^3D中Druker-Prager模型简要介绍
• 3.3.3 工程概况
• 3.3.4 计算模型
• 3.3.5 计算参数
• 3.3.6 计算结果分析
• 3.3.6.1 位移场变化规律
• 3.3.6.2 应力场变化规律
• 3.3.6.3 塑性区分布规律
• 3.4 小结
• 第四章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.1.1 地下洞室围岩稳定性系统分析
• 3D中的二次开发'>4.1.2 FLAC^3D中的二次开发
• 4.2 展望
• 附录
• 附录一 常用符号说明
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间参与的科研项目和主要成果
• 学位论文评阅及答辩情况表