层状岩体变形试验的数值模拟

论文摘要

层状岩体是由多种不同属性、不同厚度岩层按某种方式组合而成的天然复杂岩体,其变形特性明显不同于单一岩体,故其变形参数就不单取决于某一层岩体的变形参数,而是与各岩层的厚度、岩层倾角、相互之间的组合方式等因素有关的。而工程中普遍采用承压板法变形试验来研究岩体的变形参数,存在的问题主要是这种方法的试验结果大都是复杂岩体的等效变形模量,不能够准确反映出各个岩层对试验结果的影响以及每个单层的变形参数。因此,正确分析层状岩体对承压板试验结果的影响具有十分重要的意义。本文以层状岩体为研究对象,主要开展了以下的研究工作:(1)对层状岩体进行合理概化,介绍了水平层状岩体在垂直方向荷载作用下,各层岩体位移与变形参数的理论解。(2)对现场承压板变形试验包括柔性承压板、刚性承压板以及中心孔试验的试验原理、试验方法与技术进行了较为系统的总结,并阐述了试验中存在的相关问题。(3)采用ANSYS有限元软件,对含有软弱夹层的倾斜层状岩体进行数值模拟,主要研究了软弱夹层与试验点间的距离和软弱夹层的倾角对层状岩体变形模量测试结果的影响,并得出了一些规律性的认识。(4)在软硬相间的层状岩体试验洞条件下,对承压板试验进行数值模拟,研究了软硬相间岩体的间距和倾角对承压板试验结果的影响。(4)结合ANSYS软件的优化功能和位移反分析的理论对水平和倾斜层状岩体各个岩层的变形模量进行了反演,并通过算例分析得出了较为合理的结果,说明利用ANSY优化程序反演层状岩体变形模量的方法是可行的,从而解决了承压板法变形试验只能测得岩体等效变形模量的缺点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 层状岩体变形参数的研究方法
• 1.2.1 试验法
• 1.2.2 数值分析法
• 1.2.3 反分析法
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 层状岩体在圆形垂直荷载作用下的理论解
• 2.1 层状岩体理论解的建立条件
• 2.2 层状岩体理论解的推导
• 2.2.1 平衡微分方程
• 2.2.2 几何方程
• 2.2.3 物理方程
• 2.2.4 变形连续方程
• 2.2.5 层状岩体位移的一般解
• 2.3 本章小结
• 第3章 承压板法变形试验研究方法与技术
• 3.1 承压板试验的分类
• 3.2 承压板试验的理论基础
• 3.2.1 柔性圆形承压板的位移分析
• 3.2.2 刚性圆形承压板的位移分析
• 3.2.3 中心孔试验深部测点的位移分析
• 3.3 承压板试验方法与技术
• 3.4 本章小结
• 第4章 倾斜层状岩体承压板试验的数值模拟
• 4.1 软弱夹层岩体的承压板试验模拟
• 4.1.1 数值模拟的方案设计
• 4.1.2 模拟试验结果分析
• 4.2 软硬相间层状岩体的承压板试验模拟
• 4.2.1 数值模拟的方案设计
• 4.2.2 试验结果分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于ANSYS的层状岩体变形参数位移反分析
• 5.1 位移反分析法的基本方法
• 5.2 ANSYS优化设计模块的介绍
• 5.2.1 ANSYS优化设计基本概念
• 5.2.2 优化方法和收敛准则
• 5.2.3 优化设计的步骤
• 5.3 层状岩体变形模量反演
• 5.3.1 水平层状岩体算例
• 5.3.2 倾斜层状岩体算例
• 5.3.3 层状岩体变形模量反演方法概述
• 5.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文