等壓、非等壓荷載下巷、隧道圍巖的彈塑性理論與數(shù)值模擬研究.pdf

1、巖體力學(xué)教材和許多文獻(xiàn)中對(duì)圓形巷、隧道等地下洞室圍巖進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，出于簡(jiǎn)化計(jì)算和分析的目的，往往假設(shè)圍巖為均勻、連續(xù)、各向同性的理想彈塑性介質(zhì)，實(shí)踐證明其計(jì)算結(jié)果與真實(shí)圍巖存在一定差異。 本文主要介紹了在地下洞室開(kāi)挖過(guò)程中，基于理想彈塑性的本構(gòu)模型，基于彈性段、硬化段、軟化段三段式光滑連接本構(gòu)模型，基于三折線型本構(gòu)模型在理論和數(shù)值計(jì)算中的異同之處。嘗試將有限元增量加載法應(yīng)用到巷、隧道圍巖的穩(wěn)定性分析中，證明其可行性。對(duì)側(cè)壓力

2、系數(shù)λ=1、λ≠1兩種情況進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬。主要研究工作包括： 1．介紹了理想彈塑性本構(gòu)模型，彈性段、硬化段、軟化段三段式光滑連接的本構(gòu)模型，三折線型本構(gòu)模型三種條件下洞室開(kāi)挖后的圍巖的受力和變形特征。分析了基于這三種本構(gòu)模型的解的差異和各自的適用條件。 2．詳細(xì)介紹了有限元增量加載法的基本原理和計(jì)算方法，給出了判斷地下巷、隧道失穩(wěn)的判據(jù)，選擇了合適的屈服準(zhǔn)則。有限元增量加載法求得的極限荷載對(duì)應(yīng)真實(shí)圍巖產(chǎn)生較大掉

3、塊時(shí)的臨界荷載，求得的破裂區(qū)厚度對(duì)應(yīng)真實(shí)圍巖的松動(dòng)區(qū)厚度。通過(guò)與解析解和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，證明了將有限元增量加載法用于地下工程的可行性。這對(duì)于地下巷、隧道圍巖的支護(hù)具有一定指導(dǎo)意義。 3．利用有限元增量加載法對(duì)不同本構(gòu)模型在側(cè)壓力系數(shù)λ=1、λ≠1兩種情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。λ=1 時(shí)，確定了各個(gè)情況下的極限荷載、塑性區(qū)的分布、應(yīng)力分布及隨圍壓的變化規(guī)律。結(jié)果表明，洞室開(kāi)挖后，理想彈塑性本構(gòu)模型、三折線型本構(gòu)模型計(jì)算的切應(yīng)力σ<,θ>

4、隨半徑r的變化規(guī)律σ<,θ>-r曲線在峰值處存在尖峰向上的應(yīng)力集中；而彈性段、硬化段、軟化段三段式光滑連接的本構(gòu)模型計(jì)算的σ<,θ>-r曲線在峰值處光滑過(guò)渡，不存在尖點(diǎn)問(wèn)題。這與各自解析計(jì)算的σ<,θ>/P<,0>-r/α曲線形狀一致。λ≠1 時(shí)，由于目前為止只有很初步的Туппенейт解，尚未有過(guò)基于非軸對(duì)稱平衡方程和幾何方程的巷道圍巖塑性分析解，故采用有限元方法對(duì)極限荷載、塑性區(qū)分布規(guī)律、應(yīng)力分布等進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了一些有意義