多孔介質(zhì)隧道圍巖穩(wěn)定性分析的程序研發(fā)與應(yīng)用.pdf

1、土體本構(gòu)模型的建立直接影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果，在前人研究的基礎(chǔ)上，本論文針對多孔介質(zhì)，建立了固－液－氣三相耦合狀態(tài)下的本構(gòu)方程，設(shè)計(jì)了彈塑性變形的積分求解算法，編制了大型有限元數(shù)值計(jì)算程序；以多孔泥質(zhì)頁巖隧道為研究對象，探討了滲水作用下，多孔土體質(zhì)的軟弱圍巖隧道發(fā)生變形的內(nèi)涵以及變形特征，其主要成果有： （1）基于非線性連續(xù)力學(xué)以及混沌理論，建立了多孔介質(zhì)中，三相形變和應(yīng)變集中的數(shù)學(xué)和力學(xué)本構(gòu)模型。從質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大物

2、理定律出發(fā)，建立了固-液-氣三相耦合本構(gòu)模型；并從有效應(yīng)力σ*與固相矩陣形變ε、飽和度Sr與吸力s、三相狀態(tài)中固有質(zhì)量密度與固有壓力pα以及相關(guān)聯(lián)的流動法則與固有壓力之間的發(fā)展方程這四個方面，詳細(xì)闡述了本構(gòu)關(guān)系模型；基于達(dá)西定律，進(jìn)行了本構(gòu)模型孔隙水壓力的修正，通過Piola轉(zhuǎn)換，得到了相關(guān)流體向量的拉格朗日完全形式。 （2）對非線性準(zhǔn)則下的彈塑性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行積分求解，得到了其增量表達(dá)形式，設(shè)計(jì)了迭代求解算法。通過引入牛頓迭代-

3、預(yù)條件共軛梯度法的復(fù)合算法來進(jìn)行有限元計(jì)算中大型剛度矩陣的迭代求解，編制了算法程序，并進(jìn)行了與傳統(tǒng)Newton迭代法相比較的效率分析；給出了土體產(chǎn)生局部化變形時的數(shù)值表達(dá)，即計(jì)算高斯點(diǎn)的第一切線算子為零，為判斷土體變形發(fā)生的數(shù)值計(jì)算提供了理論依據(jù)，從而能夠模擬出巖土體發(fā)生局部化變形的發(fā)展過程。 （3）編寫了基于有限元理論大型有限元計(jì)算軟件SN-2D，實(shí)現(xiàn)了本構(gòu)模型的有限元程序化。開發(fā)了FORTRAN語言平臺的大型有限元數(shù)值計(jì)算程

4、序以及Q9P4數(shù)值模擬單元，并實(shí)現(xiàn)了與Matlab的程序?qū)?，?shí)現(xiàn)了計(jì)算程序的圖形輸出功能。 （4）通過開發(fā)的SN-2D有限元分析軟件，進(jìn)行了多孔滲水砂土和泥質(zhì)頁巖隧道的數(shù)值模擬分析，揭示了多孔滲水介質(zhì)變形的內(nèi)涵。模擬了非飽和砂土在不排水平面應(yīng)變壓縮下局部變形帶的形成和發(fā)展過程，討論了所編寫程序的網(wǎng)格尺寸效應(yīng)；分析了多孔泥質(zhì)頁巖隧道圍巖變形的規(guī)律和應(yīng)力特征。 （5）對多孔滲水泥質(zhì)頁巖隧道圍巖的變形進(jìn)行了數(shù)值分析與實(shí)測的對

5、比分析。分別對圍巖內(nèi)部位移量測、圍巖與初期支護(hù)之間接觸壓力量測、型鋼支撐與格柵支撐內(nèi)力量測、噴射混凝土層應(yīng)力量測以及模筑混凝土二次襯砌內(nèi)力量測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析討論；研究了多孔滲水泥質(zhì)頁巖隧道的變形破壞成因、變形破壞特點(diǎn)、失穩(wěn)破壞機(jī)理和破壞形式，得出了多孔介質(zhì)隧道圍巖的破壞機(jī)理，即多孔結(jié)構(gòu)在滲水環(huán)境下的損傷擴(kuò)容、剪脹引起隧道的收斂變形。 （6）在程序?qū)崿F(xiàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測的基礎(chǔ)上，研究了隧道圍巖的變形預(yù)測。將隧道圍巖變形預(yù)測分為超