应变软化模型在浅埋土质隧道数值模拟中的应用

摘要

在浅埋土质隧道掘进过程中，当土体变形达到一定程度后，由于土体的应变软化特性，土体强度明显降低，从而使得隧道易发生失稳、冒顶、坍塌等现象。因此，土体的应变软化特性对浅埋土质隧道的稳定性易造成不利影响。然而，目前大多数关于浅埋土质隧道的研究并未考虑土体应变软化特性。
　　针对以上问题，本文采用FLAC3D建立三维数值仿真模型，在模拟隧道开挖过程中考虑土体的应变软化特性，以探究其对浅埋土质隧道的稳定性影响。
　　首先，介绍了FLAC3D中应变软化模型的相关理论，并结合直剪试验，明确开挖现场土体应变软化的相关参数。基于现场监控量测数据，确定在三维仿真模型中土体开挖时、初期支护施加时、二衬施加时对应的应力释放率。
　　其次，采用FLAC3D中内嵌的摩尔-库伦应变软化模型和摩尔-库伦理想弹塑性模型分别对隧道施工过程进行模拟，结果表明：与理想弹塑性模型相比，采用应变软化模型计算得到的隧道土体变形、掌子面内空位移以及土体塑性区范围都明显较大。因此，忽略土体应变软化特性的浅埋土质隧道设计偏于危险。
　　最后，对FLAC3D中应变软化模型的相关参数（强度折减率、临界塑性软化系数）引起的隧道开挖的力学响应进行分析，结果表明：隧道土体变形、掌子面内空位移以及土体塑性区范围均随强度折减率或临界塑性软化系数的减小而增大，且强度折减率对其影响更大。
　　本文的研究成果可为浅埋土质隧道的设计与施工提供有益的参考。

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1 绪 论

1.1 研究背景和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 研究技术路线

2 隧道施工过程的数值模拟

2.1 平山隧道工程概况

2.2 FLAC3D本构模型

2.3 隧道数值计算模型

2.4 应变软化模型参数

2.5 围岩应力释放率

2.6 本章小结

3 考虑应变软化隧道稳定性分析

3.1 围岩变形分析

3.2 掌子面及其前方土体位移分析

3.3 围岩塑性区分析

3.4 本章小结

4 应变软化模型的相关参数研究

4.1 强度折减率对隧道稳定性的影响

4.2 临界塑性软化系数对隧道稳定性的影响

4.3 本章小结

5 结论及建议

5.1 本文主要结论

5.2 进一步研究的建议

参考文献

致谢

附录1 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

附录2 作者攻读硕士学位期间参与的科研项目