基于破坏接近度的岩石工程安全性评价方法的研究

论文摘要

地下工程围岩安全性评价是工程设计和施工中安全控制的关键因素,它对于可研和设计阶段整体方案的规划、施工过程中开挖和支护方案的制定具有重要的指导意义。岩石工程安全性评价一般包括整体和局部两个层面上的研究内容,且这两个方面相互关联,前人已就此问题取得了很丰富的研究成果,但目前,在这两个层面上的研究仍存在一些问题尚未很好的解决:在围岩安全性局部评价层面上仍缺乏既有严密的力学基础又能将围岩进行全面安全分区评价的科学实用方法,对于如何评价复杂应力状态下围岩的应力集中程度,如何评价集中应力作用下围岩的损伤程度,如何准确地描述开挖过程中围岩安全状态的演化规律,如何评价非均质性对围岩安全性的影响等等问题,仍有待深入研究;而在整体安全评价层面上,整体安全性仍缺乏明确的工程意义,且与之相关的评价方法也有待系统研究。针对上述问题,本文在弹塑性力学和非线性系统动力学分析的基础上,通过分析岩石单元的应力危险性和应变损伤程度,提出了破坏接近度的概念,来进行岩石工程局部层面上的安全性评价;并在此基础上,通过分析岩石工程系统的耗散结构特征和自组织协同演化特征,建立了岩石工程整体系统的安全性评价方法;本文在大型岩土工程数值分析软件FLAC3D中开发了相应的分析模块,并结合实际工程算例验证了所建议方法的可行性和合理性。具体来说,本文主要完成了如下的研究工作:(1)在分析开挖过程中围岩安全性分区及其演化规律的基础上,通过分析主应力空间中一点应力状态与屈服面的相对关系,论文提出了屈服接近度的指标,通过分析塑性主应变空间的塑性剪应变的发展规律,论文提出了破坏度的指标,继而本文将二者合为一个表达变量,称为破坏接近度指标。通过多个算例的应用分析表明,利用围岩中的破坏接近度分布场,可给出围岩塑性区的范围,应力集中程度的分区,可合理地表达复杂应力状态下单元的应力危险性,还可以描述开挖损伤区内围岩的损伤程度,使得应力危险性和应变损伤程度的定量评价简单易行。另外,破坏接近度可以预估未来的开挖扰动所引起的破坏接近度特别是开挖损伤区、破坏区及扰动区发展范围及方向的变化,为工程施工中评判开挖扰动的影响,预估各区域未来发展的深度、方向提供依据。

论文目录

• 摘 要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 围岩安全性评价指标或方法综述
• 1.2.1 围岩稳定性分类
• 1.2.2 围岩安全性的定量评价指标或方法
• 1.3 围岩安全性分析方法研究综述
• 1.3.1 工程类比法
• 1.3.2 计算分析方法
• 1.3.3 模型试验研究
• 1.4 本文的研究内容与思路
• 1.5 本章小结
• 第二章 围岩安全性的影响因素及分区演化机制
• 2.1 引言
• 2.2 影响围岩安全性的因素
• 2.2.1 地质因素
• 2.2.2 工程因素
• 2.3 围岩安全性分区的概念
• 2.4 开挖过程中围岩内安全分区演化规律
• 2.5 本章小结
• 第三章 围岩稳定性的破坏接近度分析
• 3.1 引言
• 3.2 屈服和破坏的概念
• 3.3 屈服接近度概念的提出
• 3.4 相应于不同屈服准则的屈服接近度函数
• 3.4.1 基于Mohr-Coulomb 准则的屈服接近度函数
• 3.4.2 基于Tresca准则的屈服接近度函数
• 3.4.3 基于Mises 准则的屈服接近度函数
• 3.4.4 基于Drucker-Prager 准则的屈服接近度函数及其扩展形式
• 3.4.5 基于统一强度理论的屈服接近度函数
• 3.5 应变空间内塑性剪应变的演化特征分析
• 3.6 破坏度与破坏接近度的定义
• 3.7 基于 Mohr-Coulomb 准则的隧道安全性破坏接近度分析
• 3.7.1 常规三轴试验加卸载模拟中的破坏接近度分析
• 3.7.2 隧道围岩安全性的屈服接近度分析
• 3.7.3 圆形隧洞安全性随开挖过程演化的破坏接近度分析
• 3.8 基于统一强度理论的隧道安全性破坏接近度分析
• 3.9 本章小结
• 第四章 基于破坏接近度的围岩安全性随机分析法方法
• 4.1 引言—即对岩石（体）非均质性的认识
• 4.2 岩石（体）参数和强度的统计规律
• 4.2.1 岩石（体）的强度离散性的尺寸效应
• 4.2.2 岩石（体）力学参数和强度的概率统计方法
• 4.2.3 岩石的屈服概率分布函数
• 4.3 围岩安全性的随机分析方法
• 4.3.1 围岩安全性随机分析理论框架
• 4.3.2 屈服概率分布函数的参数对围岩松动区范围的影响分析
• 4.3.3 基于危险系数ω的岩体安全性随机分析方法及参数反演方法
• 4.3.4 算例分析
• 4.3.5 讨论
• 4.4 近场集中应力下围岩安全性随机分析探讨
• 4.4.1 应力诱导作用下岩石非均质作用效应的显现
• 4.4.2 近场集中应力下围岩的随机分析方法
• 4.4.3 近场集中应力下围岩安全性的随机分析算例及讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 地下工程整体稳定性评价方法
• 5.1 引言
• 5.2 岩体系统稳定性非线性科学研究的理论基础
• 5.2.1 围岩破坏过程的耗散结构特征
• 5.2.2 围岩系统安全的状态变量—信息熵
• 5.2.3 围岩安全状态演化规律的协同学研究
• 5.3 熵的定义和合理性验证
• 5.4 岩体系统安全状态评价的信息熵协同演化分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 工程应用分析
• 6.1 引言
• 6.2 破坏接近度在隧洞围岩安全评价中的应用
• 6.2.1 工程简介
• 6.2.2 计算条件
• 6.2.3 Rm415 试验隧洞开挖过程中的破坏接近度分析
• 6.2.4 Rm417 试验隧洞开挖过程中的破坏接近度分析
• 6.3 破坏接近度信息熵协同演化模型的工程应用
• 6.4 破坏接近度在边坡工程安全性分析中的应用
• 6.4.1 典型算例
• 6.4.2 八尺门滑坡稳定性的破坏接近度分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 附录
• 参考文献
• 发表的文章与参加的科研工作
• 致谢