损伤理论及其在地下工程中的应用研究

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本文在损伤理论的基础上,合理的构建了土体的损伤变量和损伤函数。利用已有的有限差分软件FLAC3D,将损伤函数与FLAC3D内置的摩尔-库仑本构模型相耦合,得到损伤理论的本构模型。并利用该模型,对土体的三轴试验进行了模拟和拟合分析。基于该模型,对暗挖隧道、盾构隧道及其近距离隧道施工进行了模拟和分析,得到了隧道施工过程中的损伤规律。本文的主要研究内容如下:   1、土体的力学特性是随着其应力应变的变化而发生劣化的,仅仅采用经典的弹性、弹塑性理论本构模型不能很好的反应土体的这种特性,而损伤理论可以很好的描述该特性,因此采用损伤理论研究土体是一个新的研究方向。   2、本文以损伤理论的方法,研究了土体的损伤过程。与一般采用的非线性弹性模型以及基于摩尔库仑破坏准则的摩尔库仑模型相比较,损伤模型不但可以很好的反映土体的非线性特征,还可以准确的描述土体的劣化状态。   3、针对所采用数值计算程序FLAC3D的特点,合理的选取了损伤变量的定义方式,并构建了适合的损伤变量演化方程,通过FISH语言编制程序将损伤变量与摩尔库仑本构模型相耦合,得到了损伤理论的本构模型。   4、对深圳各地层的土体进行了三轴固结排水剪的试验,并采用本文的损伤本构模型对固结试验进行了数值模拟。计算结果表明了该损伤模型可以比普遍采用的摩尔库仑模型更好的模拟土体的应力应变特性。   5、本文采用损伤本构模型,对浅埋暗挖隧道进行了动态施工的模拟研究。得到了隧道施工过程中,隧道周围土体的变形特性及其损伤变化特性。研究结果表明:随着暗挖隧道工作面的接近,土体的扰动损伤逐渐增大;针对上述深圳土体的具体条件,隧道前方土体损伤变化剧烈的区域为工作面1.3m范围以内;隧道下导洞土体损伤范围大于上导洞土体,下导洞损伤范围为4m;隧道拱顶土体主要损伤区域为隧道上方3m范围内。隧道侧向土体损伤范围为2m。   6、采用损伤本构模型,对地下工程中的盾构法隧道进行了动态施工的模拟研究。得到了隧道施工过程中,隧道周围土体的变形特性及其损伤变化特性。研究结果表明:盾构隧道工作面前方土体损伤度很小。隧道周围土体的损伤主要由于刀盘超挖及其盾尾脱空带来的空隙造成的。比较盾构隧道和暗挖隧道的损伤规律可知,盾构隧道所带来的环境影响在正常施工条件下要远远小于暗挖隧道。   7、近距离隧道施工中,主要考虑的为新隧道对老隧道的影响。在白石洲一科技园近距离盾构隧道的模拟中,为了准确的模拟盾构隧道所使用的管片,本文对管片采用了应变软化模型。由计算结果可知,尽管该近距离隧道之间净距离才3m,但是新隧道的旌工并不会使原有隧道的结构造成损伤。
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