Q2原状黄土本构模型及其在隧道工程中的应用研究

论文摘要

随着西部大开发战略的实施,西部地区的基础设施建设工程、生态环境改善工程和国防建设工程中往往涉及到黄土工程问题。而黄土是一种具有独特工程性质的特殊性土,从岩土工程意义来说,其特殊性主要表现在黄土的结构性、欠压密性和湿陷性,导致在黄土地区修建工程的特殊性和复杂性,这就需要进一步发展黄土力学理论和相应的工程技术。本文在前人研究的基础上,通过理论推导、试验研究和数值模拟等方法对Q2原状黄土的力学特性和浅埋黄土连拱隧道动态施工围岩损伤局部化过程等进行了较为系统和深入的研究。本文的主要研究内容和成果如下:①从山西离石连拱隧道处取得Q2原状黄土土样,通过试验测试获得Q2原状黄土的物理性质和力学性质,主要包括非饱和Q2原状黄土物理性质试验、三轴剪切试验、等压试验和等P试验。获得了Q2原状黄土的剪应力q与剪应变εs的关系、体应变εv与剪应变εs的关系,进而拟合得到弹性常数、强度参数及峰值强度与残余强度随围压的变化规律等。②根据Q2原状黄土的试验结果,对弹塑性变形进行分离,作出流线图和势线图,并假定塑性流动符合相关联流动法则,选用塑性功函数为硬化、软化函数,建立了应变空间的Q2原状黄土弹塑性本构模型。③在应变空间的Q2原状黄土弹塑性本构模型的研究基础上,把土体在应力作用下的总变形分解为弹性变形、塑性变形和损伤不可逆变形。假定塑性变形和损伤不可逆变形耦合,并服从伊留辛公设,确定出以广义塑性功为硬化参数的加载函数和以损伤能量密度为参数的损伤屈服面函数,推导出损伤演化规律,建立了应变空间的Q2原状黄土弹塑性损伤本构模型。④根据FLAC3D的塑性流动法则并对其进行修正,推导出Q2原状黄土弹塑性损伤本构模型的FLAC3D的格式。再利用FLAC3D的二次开发功能,用C++程序编制了用户自定义本构模型,与FLAC3D自带的本构模型分别对试件进行模拟,并与试验结果进行对比,得出用户自定义本构模型更能准确反映Q2原状黄土的力学特性。⑤定义了围岩损伤度SRDD概念和推导其计算公式,并用FLAC3D的FISH语言编制围岩损伤局部化后处理模块,通过实例模拟,得出该围岩损伤度后处理模块能较好的反映黄土隧道动态施工围岩损伤局部化分布和演化情况。⑥以离石黄土连拱隧道为依托工程,对离石黄土连拱隧道的两种施工方案开挖过程分别进行损伤局部化数值模拟研究,通过分析开挖过程中围岩损伤局部化分布情况和损伤演化规律,选出较合理的施工方案,并与现场的监测数据进行对比分析,验证了数值模拟结果的可信性。⑦通过分析隧道工程围岩稳定性的分析和判别方法,结合Q2黄土隧道动态施工围岩损伤局部化数值模拟研究、以及隧道新奥法监测,建立了一套简易的适用于Q2黄土隧道围岩稳定性判别方法,为Q2黄土隧道围岩稳定性判别提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 黄土弹塑性模型研究现状
• 1.2.2 黄土弹塑性损伤模型研究现状
• 1.2.3 隧道动态施工围岩损伤研究现状
• 1.2.4 弹塑性损伤分析程序研究现状
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 原状黄土物理力学性质的室内试验研究'>2 Q₂原状黄土物理力学性质的室内试验研究
• 2.1 依托工程地质条件分析
• 2.2 试样的选取与制作
• 2 原状黄土的物理性质试验'>2.3 Q₂原状黄土的物理性质试验
• 2 原状黄土的力学性质试验'>2.4 Q₂原状黄土的力学性质试验
• 2 原状黄土的力学特性试验结果分析'>2.5 Q₂原状黄土的力学特性试验结果分析
• 2 原状黄土强度特性试验结果分析'>2.6 Q₂原状黄土强度特性试验结果分析
• 2.7 本章小结
• 2 原状黄土弹塑性本构模型研究'>3 应变空间的Q₂原状黄土弹塑性本构模型研究
• 3.1 弹塑性本构理论
• 3.1.1 塑性增量理论
• 3.1.2 普遍的弹塑性本构关系描述
• 2 原状黄土弹塑性本构模型的建立'>3.2 应变空间的Q₂原状黄土弹塑性本构模型的建立
• 3.2.1 应变空间的弹塑性本构模型推导
• 3.2.2 弹性常数的确定
• 3.2.3 破坏线与临界状态线的确定
• 3.2.4 屈服面的确定
• 3.2.5 硬化规律的确定
• 2 原状黄土弹塑性本构模型的试验验证'>3.3 应变空间的Q₂原状黄土弹塑性本构模型的试验验证
• 2 原状黄土弹塑性本构模型'>3.3.1 应变空间的Q₂原状黄土弹塑性本构模型
• 2 原状黄土弹塑性本构模型的试验验证'>3.3.2 应变空间的Q₂原状黄土弹塑性本构模型的试验验证
• 3.4 本章小结
• 2 原状黄土弹塑性损伤本构模型研究'>4 应变空间的Q₂原状黄土弹塑性损伤本构模型研究
• 4.1 损伤力学基本理论
• 4.1.1 损伤变量
• 4.1.2 有效应力
• 4.1.3 应变等价原理
• 4.1.4 耗散功与损伤
• 4.1.5 应变类型
• 2 原状黄土弹塑性损伤本构模型的建立'>4.2 应变空间的Q₂原状黄土弹塑性损伤本构模型的建立
• 4.2.1 应变空间的弹塑性损伤本构模型推导
• 4.2.2 应变空间的损伤演化规律推导
• 4.2.3 加载函数的确定
• 4.2.4 损伤门槛值及损伤屈服函数的确定
• 2 原状黄土弹塑性损伤本构模型参数的确定'>4.2.5 Q₂原状黄土弹塑性损伤本构模型参数的确定
• 2 原状黄土弹塑性损伤本构模型试验验证'>4.3 应变空间的Q₂原状黄土弹塑性损伤本构模型试验验证
• 2 原状黄土弹塑性损伤本构模型'>4.3.1 应变空间的Q₂原状黄土弹塑性损伤本构模型
• 2 原状黄土弹塑性损伤本构模型的试验验证'>4.3.2 应变空间的Q₂原状黄土弹塑性损伤本构模型的试验验证
• 4.4 本章小结
• 5 围岩损伤局部化程序二次开发研究
• 5.1 引言
• 5.2 围岩损伤度概念的提出
• 2原状黄土弹塑性损伤本构模型的FLAC^3D 格式推导'>5.3 Q₂原状黄土弹塑性损伤本构模型的FLAC^3D格式推导
• 3D 自带的本构模型对比分析'>5.3.1 FLAC^3D自带的本构模型对比分析
• 5.3.2 塑性流动准则
• 2原状黄土弹塑性损伤本构模型的FLAC^3D 格式推导'>5.3.3 Q₂原状黄土弹塑性损伤本构模型的FLAC^3D格式推导
• 3D 自定义本构模型的实现'>5.4 FLAC^3D自定义本构模型的实现
• 3D 自定义本构模型的二次开发环境'>5.4.1 FLAC^3D自定义本构模型的二次开发环境
• 5.4.2 模型文件的编写
• 5.4.3 自定义本构模型的加载与运行
• 3D 自带本构模型的对比研究'>5.4.4 自定义本构模型与FLAC^3D自带本构模型的对比研究
• 5.5 围岩损伤度计算模块的编制与验证
• 5.6 本章小结
• 2 黄土连拱隧道动态施工损伤局部化研究及围岩稳定性判别体系建立'>6 Q₂黄土连拱隧道动态施工损伤局部化研究及围岩稳定性判别体系建立
• 6.1 引言
• 6.2 依托工程简介
• 6.2.1 工程概况
• 6.2.2 离石黄土连拱隧道结构设计方案
• 6.2.3 离石黄土连拱隧道施工方案
• 2 黄土连拱隧道动态施工损伤局部化研究'>6.3 Q₂黄土连拱隧道动态施工损伤局部化研究
• 6.3.1 离石黄土连拱隧道数值模拟模型计算条件
• 6.3.2 施工方案I 动态开挖围岩损伤局部化分析
• 6.3.3 施工方案II 动态开挖围岩损伤局部化分析
• 2 黄土连拱隧道动态施工损伤局部化数值模拟与现场监测值对比分析'>6.4 Q₂黄土连拱隧道动态施工损伤局部化数值模拟与现场监测值对比分析
• 6.4.1 离石黄土连拱隧道现场监测测点布置
• 6.4.2 动态施工损伤局部化数值模拟与现场监测值对比分析
• 2 黄土隧道围岩稳定性判别体系的建立'>6.5 Q₂黄土隧道围岩稳定性判别体系的建立
• 6.5.1 隧道工程围岩稳定性分析方法
• 6.5.2 隧道工程围岩稳定性判据分析
• 2 黄土隧道围岩稳定性判别体系的建立'>6.5.3 Q₂黄土隧道围岩稳定性判别体系的建立
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录