特大断面地下洞室开挖的热流固耦合有限元分析

摘要

流固耦合与热流固耦合问题是当前岩土力学和流体力学研究的热点课题,也是多学科交叉性质的前沿研究课题.随着我国交通事业的发展,越来越多的隧道建设在高地应力、高地温、富含地下水的区段,给隧道的设计、施工带来很大的难度,同时施工安全也存在很大隐患.而在目前对隧道开挖的数值模拟分析方法中,综合考虑这些因素的很少. 本文采用宏观连续介质方法,将实际的多孔介质视为一种理想的连续介质,系统地分析流、固、热三场之间的耦合关系、三场耦合的力学机理以及结合点. 将有效应力原理运用到适合变温条件下地下水的渗流情况,并在此基础上建立了岩石变形耦合方程.对于温度场的耦合,通过虚位移原理将变化的温度场产生的热应力转化为

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第一章绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2热流固耦合问题的基本特征

1.2.1普遍性

1.2.2动态性

1.2.3基础性

1.2.4多学科交叉性

1.3流固与热流固耦合问题的研究进展

1.3.1流固耦合研究方面

1.3.2热流固耦合研究方面

1.3.3裂隙岩体渗流分析发展概况

1.4本文的主要研究内容

1.5主要研究成果

1.5.1讨论了热流固耦合研究方法

1.5.2建立了非完全热流固耦合的数学模型

1.5.3对热流固耦合模型用有限元方法进行数值模拟

1.5.4运用ABAQUS通用有限元软件进行实例分析

1.5.5创新点

第二章 流固、热流固模型研究的基本方法和原理

2.1宏观连续介质法

2.2有效应力原理

2.3虚位移原理

2.4本构方程

2.4.1本构方程的表达式

2.4.2固相岩石所采用的扩展的Drucker-Prager弹塑性模型

2.5有限单元法的基本原理和基本步骤

第三章 流固、热流固耦合基本方程

3.1流固耦合渗流模型

3.1.1建立动力固结总控制方程

3.1.2建立有效应力分析基本方程

3.1.3用矩阵表示的Biot三维固结方程

3.1.4平面应变条件下Biot固结分析基本方程

3.2热流固耦合渗流模型

3.2.1流体耦合渗流方程

3.2.2岩石变形耦合方程

3.2.3热应力方程

3.3边界条件

第四章 流固、热流固耦合数值模型

4.1平面应变热流固耦合有限元方程

4.2平面应变热流固耦合有限元方程各元素的计算

第五章 算例分析

5.1工程概况

5.1.1水文气象条件

5.1.2水文地质条件

5.1.3工程地质概况

5.2工程特点及施工方案的选择

5.3工程监测项目及测点布置

5.3.1监测项目

5.3.2测点布置

5.4开挖模拟理论

5.5建立有限元模型

5.6三种模型计算结果分析

5.6.1开挖完成以后岩体的塑性区

5.6.2拱顶沉降值分析

5.6.3边墙收敛值分析

5.6.4衬砌弯矩值分析

5.7流固耦合工况下计算结果分析

5.7.1流固耦合排水工况下各开挖步对应的围岩破坏区

5.7.2排水压力对围岩变形的影响

5.7.3拱顶沉降值及拱底隆起值随开挖时间的变化曲线

5.7.4超静水压力及流速分析

5.7.5围岩参数对开挖的影响分析

5.7.6不同渗流控制方案分析

第六章 总结和建议

6.1结论

6.2建议

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢