等压、非等压荷载下巷、隧道围岩的弹塑性理论与数值模拟研究

摘要

岩体力学教材和许多文献中对圆形巷、隧道等地下洞室围岩进行弹塑性分析时，出于简化计算和分析的目的，往往假设围岩为均匀、连续、各向同性的理想弹塑性介质，实践证明其计算结果与真实围岩存在一定差异。 本文主要介绍了在地下洞室开挖过程中，基于理想弹塑性的本构模型，基于弹性段、硬化段、软化段三段式光滑连接本构模型，基于三折线型本构模型在理论和数值计算中的异同之处。尝试将有限元增量加载法应用到巷、隧道围岩的稳定性分析中，证明其可行性。对侧压力系数λ=1、λ≠1两种情况进行了理论分析和数值模拟。主要研究工作包括： 1．介绍了理想弹塑性本构模型，弹性段、硬化段、软化段三段式光滑连接的本构模型，三折线型本构模型三种条件下洞室开挖后的围岩的受力和变形特征。分析了基于这三种本构模型的解的差异和各自的适用条件。 2．详细介绍了有限元增量加载法的基本原理和计算方法，给出了判断地下巷、隧道失稳的判据，选择了合适的屈服准则。有限元增量加载法求得的极限荷载对应真实围岩产生较大掉块时的临界荷载，求得的破裂区厚度对应真实围岩的松动区厚度。通过与解析解和试验结果的对比，证明了将有限元增量加载法用于地下工程的可行性。这对于地下巷、隧道围岩的支护具有一定指导意义。 3．利用有限元增量加载法对不同本构模型在侧压力系数λ=1、λ≠1两种情况进行了数值模拟。λ=1 时，确定了各个情况下的极限荷载、塑性区的分布、应力分布及随围压的变化规律。结果表明，洞室开挖后，理想弹塑性本构模型、三折线型本构模型计算的切应力σ<,θ>随半径r的变化规律σ<,θ>-r曲线在峰值处存在尖峰向上的应力集中；而弹性段、硬化段、软化段三段式光滑连接的本构模型计算的σ<,θ>-r曲线在峰值处光滑过渡，不存在尖点问题。这与各自解析计算的σ<,θ>/P<,0>-r/α曲线形状一致。λ≠1 时，由于目前为止只有很初步的Туппенейт解，尚未有过基于非轴对称平衡方程和几何方程的巷道围岩塑性分析解，故采用有限元方法对极限荷载、塑性区分布规律、应力分布等进行了数值模拟，得出了一些有意义的结论。为非等压荷载作用下巷、隧道围岩的弹塑性分析和稳定性研究提供了一种有效的研究方法。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1问题的提出

1.2国内外研究现状

1.2.1巷道围岩弹塑性分析研究现状

1.2.2有限元增量加载法研究现状

1.3本文研究的主要内容及采用的技术路线

第2章巷、隧道围岩应力与变形的弹塑性解析

2.1基于理想弹塑性本构关系的解

2.2基于三段式光滑连接本构关系的解

2.3基于三折线型本构关系的解

2.4三种不同本构模型解的比较

2.5本章小结

第3章有限元增量加载法在巷、隧道围岩弹塑性有限元分析中的应用

3.1有限元程序ANSYS简介

3.2有限元增量加载法的原理

3.3增量加载的实现

3.4弹塑性增量应力-应变关系计算的一般过程

3.5关于有限元极限分析法中岩土工程整体失稳的判据

3.6本构关系与屈服准则的选取

3.6.1莫尔-库仑准则

3.6.2广义米赛斯准则(Drucker-Prager)

3.6.3 Drucker-Prager各准则推倒

3.7有限元增量加载法计算结果与试验结果对比

3.7.1有限元计算模型

3.7.2不同屈服准则计算结果及对比

3.7.3计算结果及分析

3.8本章小结

第4章基于不同本构模型的巷、隧道围岩应力与变形的数值模拟

4.1等压荷载(λ=1)作用下圆形洞室围岩的数值模拟

4.1.1理想弹塑性本构有限元模型

4.1.2三段式光滑连接本构有限元模型

4.1.3三折线本构有限元模型

4.2非等压荷载(λ≠1)作用下圆形洞室围岩的数值模拟

4.2.1理想弹塑性本构有限元模型

4.2.2三段式光滑连接本构有限元模型

4.2.3三折线本构有限元模型

4.3三种本构模型数值模拟的比较

4.3.1 λ=1时三种本构模型数值模拟的比较

4.3.2 λ≠ 1时三种本构模型数值模拟的比较

4.4本章小结

第5章结论和展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢