大跨度地下厂房开挖过程的有限元数值模拟

论文摘要

结合白山水电站地下厂房开挖工程,在现场地质调查和场区地勘资料分析的基础上,根据工程区地质力学环境条件,建立了能够反映研究区地貌、岩体结构和地应力环境条件的力学模型,采用ANSYS有限元软件对地下厂房的开挖和支护过程进行数值模拟分析。对地下厂房开挖的数值模拟主要是计算开挖面围岩变形情况和衬砌的应力和荷载以及监控开挖面围岩的稳定性。地下洞室的开挖是将开挖边界上的初始应力释放,从而引起洞室围岩的应力场重新分布。对地下厂房洞室围岩的稳定性进行分析,采用二维弹性有限元模型和分六层开挖方式模拟开挖方式。通过有限元数值模拟计算出每一步开挖边界上节点力,并作为下一步开挖的等效节点力施加在开挖边界上。数值模拟结果表明,开挖过程中进行支护可以改变应力场和位移场分布,明显的减小围岩的拉应力集中区域。现场监测的主要目的是:监控洞室变形、检测选择的施工方式是否得当、量测结构构件中的应力发展、掌握洞室围岩的变形情况,并指出是否需要对围岩和支护进行加固。使用多点位移计对开挖过程中的围岩变形情况进行监测。监测结果表明,使用喷射混凝土支护可以保证围岩的稳定性。从围岩变形的监测结果和计算结果对比可知,监测结果和计算结果比较吻合。根据有限元数值模拟结果,计算衬砌的强度安全系数,研究衬砌厚度变化对其安全系数和结构稳定性的影响。结合工程设计规范标准,探讨最小衬砌安全厚度,对支护结构的安全性进行分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题来源及其实际意义
• 1.2 研究背景
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 地下厂房开挖方法以及其影响因素分析
• 2.1 地下厂房开挖模拟研究现状
• 2.2 地下厂房开挖方法的影响因素
• 2.2.1 断面尺寸及体形特征
• 2.2.2 围岩稳定因素
• 2.2.3 施工机械
• 2.2.4 爆破震动因素
• 2.2.5 其他因素
• 2.3 地下厂房开挖方法研究
• 3 地下厂房围岩稳定性研究
• 3.1 地下厂房围岩稳定性理论研究现状
• 3.1.1 数值计算方法
• 3.1.2 其他方法
• 3.2 国内外地下厂房围岩稳定性研究的新趋势
• 3.2.1 数值分析方法的祸合应用
• 3.2.2 块体理论的发展
• 3.2.3 非确定性位移反分析的发展
• 3.2.4 新奥法监控量测技术的发展
• 3.3 地下厂房围岩稳定性有限元方法
• 3.4 地下厂房围岩稳定性影响因素分析
• 3.4.1 岩体的结构特征
• 3.4.2 结构面性质和空间的组合
• 3.4.3 地应力因素
• 3.4.4 施工因素
• 3.4.5 时间因素
• 3.5 地下厂房围岩稳定性判据
• 4 大跨度地下厂房开挖数值模拟
• 4.1 工程概况
• 4.2 地下厂房开挖过程数值模拟原理
• 4.2.1 初始地应力的数值模拟原理
• 4.2.2 开挖以及支护施工过程数值模拟原理
• 4.3 地下厂房开挖过程有限元数值模拟
• 4.3.1 模型的基本假设
• 4.3.2 单元的选择
• 4.3.3 计算模型及计算参数
• 4.3.4 模拟开挖支护的步骤与方案
• 4.4 地下厂房模拟开挖计算的结果分析
• 4.4.1 围岩应力分析
• 4.4.2 围岩位移
• 5 地下厂房变形监测及其数据分析
• 5.1 地下厂房开挖现场监测的目的和意义
• 5.2 地下厂房开挖过程中变形观测分析
• 5.2.1 监测点的设置
• 5.2.2 洞室围岩变形计算值与实测值对比分析
• 5.2.3 本章结论
• 6 地下厂房支护结构安全性分析
• 6.1 结构安全性理论
• 6.2 支护衬砌结构安全性分析
• 6.3 本章结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢