基于非线性破坏准则的盾构隧道开挖面稳定性分析

摘要

盾构施工技术由于对周围环境影响小，而被广泛应用于城市地下工程的施工。在盾构隧道施工过程中，需要通过对开挖面前方土体施加一定的支护压力来保证隧道开挖面的稳定性。因此，如何确定开挖面所需要的极限支护压力成为了确保盾构隧道开挖面稳定的关键问题。目前已有的盾构隧道开挖面稳定性方面的研究大都采用线性破坏准则，但是许多实际工程问题和土工试验数据表明，岩土介质服从非线性破坏准则，而线性破坏准则只是其中的特例。本文基于岩土材料的非线性破坏特征，采用非线性莫尔-库伦破坏准则对盾构隧道开挖面的稳定性开展研究，主要工作内容如下:
　　(1)利用FLAC二次开发平台VC++将非线性莫尔-库伦破坏准则嵌入到FLAC自带的本构模型的源程序中，实现了对FLAC数值模拟软件的二次开发，通过将已有数据和数值计算的结果进行对比，验证了上述研发过程的有效性，同时分析了非线性参数对开挖面极限支护压力的影响;
　　(2)基于退化的非线性莫尔-库伦破坏准则，依据极限平衡理论，利用浅埋隧道开挖面楔形体破坏模型，得到了开挖面极限支护力理论求解公式。选取具体算例，将数值模拟得到的浅埋隧道开挖面极限支护力与极限平衡理论解进行比较，以验证基于非线性莫尔-库伦破坏准则数值模拟结果的正确性;
　　(3)采用线性与非线性破坏准则，通过划定的六个不同超载区以及自定义的超载主要影响区探究了地表超载对隧道开挖面稳定性的影响。最后，结合盾构隧道开挖面失稳实例，应用数值模拟法以及楔形体模型求解开挖面极限支护压力，将求得的极限支护压力数值解和理论解与实测土仓压力进行对比，进一步检验了基于非线性莫尔-库伦破坏准则进行数值求解的可靠性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 课题相关研究现状综述

1．2．1 浅埋隧道开挖面稳定性研究现状

1．2．2 非线性破坏准则

1．2．3 FLAC二次开发

1．3 本课题研究内容与意义以及技术路线

1．3．1 主要研究内容与意义

1．3．2 技术路线

第2章 基于非线性破坏准则的浅埋隧道开挖面稳定性分析

2．1 FLAC简介

2．1．1 有限差分原理

2．1．2 FLAC3D的优点

2．1．3 FLAC3D计算的主要过程

2．2 材料本构模型

2．2．1 线性莫尔-库仑本构模型

2．2．2 基于非线性莫尔-库伦破坏准则的本构模型

2．3 基于非线性莫尔-库仑破坏准则的本构模型在FLAC中的实现

2．3．1 基于非线性莫尔-库仑破坏准则的本构模型开发流程

2．3．2 开发的编程概要

2．4 确定开挖面极限支护压力

2．4．1 极限支护压力计算方法的确定

2．4．2 基于非线性破坏准则的极限支护压力可靠性的验证

2．5 非线性参数对开挖面极限支护压力的影响

2．6 本章小结

第3章 开挖面支护压力计算理论

3．1 开挖面失稳破坏阐述

3．2 隧道上覆土压力分析

3．2．1 隧道上覆土压力确定方法

3．2．2 计算成层地基上覆土压力的思路及方法

3．3 楔形体模型计算

3．4 极限平衡计算结果与数值模拟结果的对比

3．5 本章小结

第4章 地表超载对盾构隧道开挖面稳定性的影响

4．1 基本计算模型及参数选取

4．2 线性莫尔-库伦破坏准则下地表超载对开挖面稳定性的影响

4．2．1 六个地表加载区

4．2．2 超载主要影响区

4．3 非线性莫尔-库伦破坏准则下地表超载对开挖面稳定性的影响

4．3．1 计算方案与结果

4．3．2 计算结果与输出数据分析

4．4 对比分析两种破坏准则下地表超载对开挖砸稳定性的影响

4．5 结论

4．6 本章小结

第5章 工程实例分析

5．1 工程概况

5．2 工程模拟计算与分析

5．2．1 数值模拟计算

5．2．2 工程开挖面失稳分析

5．3 结论与建议

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

一．攻读学位期间发表的论文

二．研究生期间参加的科研项目工作