圆形压力隧洞弹塑性应力和位移分析

论文摘要

压力隧洞是土木工程中常见的结构物之一,常设计为圆形,并设置衬砌。目前圆形压力隧洞的研究都是集中在某一方面,如衬砌的不同处理、强度准则的选取、不同工况下主应力顺序的变化、岩石材料的应变软化和剪胀特性、渗流体积力和孔隙水压力的影响等,所得结论与实际情况存在差异。因此,同时考虑不同工况下主应力顺序、岩石应变软化、剪胀和渗流作用等综合影响,采用统一强度理论对圆形压力隧洞应力场和位移场进行研究,具有重要的理论意义和工程应用价值。针对具有衬砌的圆形水工压力隧洞,本文所做的主要工作为:利用统一强度理论和水工压力隧洞的基本知识,推导了平面应变状态下的统一强度理论方程,考虑到材料应变软化和施工期与运行期不同应力条件的影响,得出不同工况下初始屈服面和后继屈服面的表达式;基于平面应变状态下统一强度理论和弹脆塑性软化模型,在水工隧洞施工期以径向应力为第一主应力,在运行期以切向应力为第一主应力,根据施工期和运行期渗透水压力分布规律,分别推导出施工期具有剪胀和软化特性的围岩及处于弹性状态的衬砌应力、位移统一解,和在施工期含水围岩处于弹性状态、施工期含水围岩处于弹塑性状态两种情况下,运行期具有剪胀和软化特性的围岩及处于弹性状态的衬砌应力、位移统一解,并讨论了不同的渗透系数比值k d /k c,统一强度理论参数b ,软化特性参数c1、φ1和剪胀特性参数h对施工期和运行期衬砌与围岩应力和位移的影响。本文通过对隧洞含水围岩和衬砌施工期和运行期应力、位移统一解的推导,得出了不同工况下隧洞的不同力学性能及参数的不同影响,为理论研究和工程的实际应用奠定了一定的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与问题的提出
• 1.2 水工压力隧洞的研究现状
• 1.2.1 压力隧洞的研究现状
• 1.2.2 软化和剪胀的研究现状
• 1.2.3 渗流场的研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 统一强度理论及水工压力隧洞设计原则
• 2.1 统一强度理论
• 2.1.1 统一强度理论表达式
• 2.1.2 广泛应用于岩土体应力分析的强度理论的缺陷
• 2.1.3 平面应变状态下的统一强度理论
• 2.2 压力隧洞的主要荷载
• 2.2.1 初始地应力
• 2.2.2 均匀内水压力
• 2.2.3 外水压力
• 2.3 岩体有效应力原理
• 2.4 水工压力隧洞荷载下屈服条件的表达式
• 2.4.1 均匀内水压力小于初始地应力
• 2.4.2 均匀内水压力大于初始地应力
• 2.5 水工压力隧洞衬砌的作用
• 2.6 本章小结
• 第三章 施工期含水围岩和衬砌应力与位移计算
• 3.1 施工期隧洞渗透水压力
• 3.2 施工期含水围岩应力与位移计算
• 3.2.1 施工期围岩弹性极限压力
• 3.2.2 围岩塑性区应力
• 3.2.3 围岩塑性区外半径
• 3.2.4 围岩塑性区位移
• 3.3 施工期衬砌应力与位移计算
• 3.4 理论解答的广泛意义
• 3.4.1 围岩压力
• 3.4.2 塑性区半径
• 3.5 工程算例及参数分析
• 3.5.1 渗透系数比值的影响
• 3.5.2 统一强度理论参数b 的影响
• 1 的影响'>3.5.3 软化特性参数c₁的影响
• 1 的影响'>3.5.4 软化特性参数φ₁的影响
• 3.5.5 剪胀特性参数h 的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 运行期含水围岩和衬砌应力与位移计算
• 4.1 运行期隧洞渗透水压力
• 4.2 施工期含水围岩处于弹性状态
• 4.2.1 运行期围岩弹性极限压力
• 4.2.2 运行期围岩应力与位移计算
• 4.2.3 运行期衬砌应力与位移计算
• 4.3 施工期含水围岩处于弹塑性状态
• 4.3.1 施工期围岩和衬砌位移计算
• 4.3.2 运行期围岩和衬砌应力与位移计算
• 4.4 理论解答的广泛意义
• 4.4.1 围岩压力
• 4.4.2 塑性区半径
• 4.5 工程算例及参数分析
• 4.5.1 渗透系数比值的影响
• 4.5.2 统一强度理论参数b 的影响
• 1 的影响'>4.5.3 软化特性参数c₁的影响
• 1 的影响'>4.5.4 软化特性参数φ₁的影响
• 4.5.5 剪胀特性参数h 的影响
• 4.6 本章小结
• 结论与展望
• 1. 结论
• 2. 展望与建议
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢