高地溫水工隧洞穩(wěn)定性與復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 工程背景與研究意義 1
1.2 研究現(xiàn)狀 3
1.3 本書主要內(nèi)容 9
參考文獻(xiàn) 12
第一篇 高地溫水工隧洞熱力學(xué)參數(shù)變化及其影響
第2章 高地溫水工隧洞圍巖與噴層結(jié)構(gòu)熱力學(xué)參數(shù)敏感性分析 19
2.1 概述 19
2.2 圍巖與噴層結(jié)構(gòu)熱力學(xué)參數(shù)敏感性分析 20
2.2.1 工程概況 20
2.2.2 敏感性分析方法 20
2.2.3 參與敏感性分析的參數(shù)及分析方案 23
2.3 線膨脹系數(shù)敏感性分析 23
2.3.1 圍巖線膨脹系數(shù)敏感性分析 24
2.3.2 噴層線膨脹系數(shù)敏感性分析 25
2.4 導(dǎo)熱系數(shù)敏感性分析 27
2.4.1 圍巖導(dǎo)熱系數(shù)的敏感性分析 27
2.4.2 噴層導(dǎo)熱系數(shù)的敏感性分析 30
2.5 比熱容敏感性分析 32
2.5.1 圍巖比熱容敏感性分析 32
2.5.2 噴層比熱容敏感性分析 35
2.6 對(duì)流系數(shù)敏感性變化分析 36
2.6.1 溫度敏感性變化分析 36
2.6.2 應(yīng)力敏感性變化分析 37
2.7 各參數(shù)的敏感性比較 38
2.8 本章小結(jié) 39
參考文獻(xiàn) 40
第3章 高地溫對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)及隧洞噴層溫度和應(yīng)力的影響 41
3.1 概述 41
3.2 高地溫對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)的影響 42
3.3 高地溫對(duì)圍巖噴層溫度和應(yīng)力的影響 45
3.4 本章小結(jié) 48
參考文獻(xiàn) 48
第4章 基于圍巖泊松比變化的高地溫水工隧洞受力特性分析 50
4.1 概述 50
4.2 溫度–應(yīng)力耦合作用下的彈性受力分析 51
4.2.1 彈性荷載應(yīng)力分析 51
4.2.2 彈性溫度應(yīng)力分析 52
4.2.3 溫度–應(yīng)力耦合彈性總應(yīng)力分析 54
4.3 溫度–應(yīng)力耦合作用下的彈性力學(xué)特性 54
4.3.1 物理力學(xué)參數(shù)的選取 54
4.3.2 溫度應(yīng)力計(jì)算參數(shù)的選取 55
4.3.3 圍巖泊松比變化條件下隧洞受力特性 56
4.4 圍巖泊松比變化條件下溫度–應(yīng)力耦合數(shù)值模擬 59
4.4.1 模型選取 59
4.4.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析 60
4.4.3 圍巖泊松比變化對(duì)圍巖力學(xué)特性的影響 62
4.5 本章小結(jié) 63
參考文獻(xiàn) 64
第二篇 高地溫水工隧洞力學(xué)特性及其塑性區(qū)演化特征
第5章 高地溫水工隧洞圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)演化機(jī)制 67
5.1 概述 67
5.2 溫度場(chǎng)研究的主要方案及其研究方法 68
5.3 高地溫水工隧洞不同工況下三維溫度場(chǎng)數(shù)值模擬 72
5.3.1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分 72
5.3.2 高地溫隧洞溫度場(chǎng)有限元計(jì)算 74
5.4 高地溫水工隧洞不同開(kāi)挖方式溫度場(chǎng)特征 78
5.4.1 隧洞模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分 78
5.4.2 不同開(kāi)挖方式下高地溫隧洞溫度場(chǎng)模擬 79
5.5 高地溫水工隧洞全生命周期溫度場(chǎng)規(guī)律 82
5.5.1 全生命周期的定義與計(jì)算方法 82
5.5.2 數(shù)值模擬模型 83
5.5.3 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果 84
5.6 本章小結(jié) 88
參考文獻(xiàn) 88
第6章 高地溫水工隧洞圍巖熱--力耦合數(shù)值模擬 90
6.1 概述 90
6.2 熱–力耦合數(shù)值模擬及相關(guān)參數(shù) 90
6.2.1 工程概況 90
6.2.2 與溫度有關(guān)的圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值 91
6.2.3 數(shù)值計(jì)算模型及邊界條件 91
6.2.4 熱–力耦合作用下的圍巖合理計(jì)算范圍確定 92
6.3 熱–力耦合數(shù)值模擬計(jì)算 94
6.3.1 隧洞圍巖溫度場(chǎng)分析 95
6.3.2 圍巖計(jì)算應(yīng)力與位移在兩種耦合機(jī)制下的比較分析 96
6.3.3 溫度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力 (位移) 與耦合應(yīng)力 (位移) 之間的關(guān)系 97
6.3.4 常溫與高溫情況下圍巖計(jì)算應(yīng)力和位移的對(duì)比分析 97
6.4 本章小結(jié) 100
參考文獻(xiàn) 100
第7章 高地溫作用下巖石損傷演化本構(gòu)模型及耦合數(shù)值模擬 101
7.1 概述 101
7.2 巖石損傷基礎(chǔ) 102
7.2.1 巖石損傷基本理論 102
7.2.2 巖石破壞損傷基礎(chǔ) 103
7.3 荷載單獨(dú)作用下的巖石損傷演化及本構(gòu)方程 105
7.3.1 巖石損傷演化方程 105
7.3.2 巖石損傷本構(gòu)模型 108
7.3.3 模型驗(yàn)證 110
7.3.4 模型參數(shù)確定 112
7.3.5 模型參數(shù)物理意義探討 114
7.4 高溫誘發(fā)巖石損傷演化及本構(gòu)方程 115
7.4.1 應(yīng)變軟化本構(gòu)方程 115
7.4.2 參數(shù)確定及模型驗(yàn)證 117
7.4.3 受損機(jī)制分析 119
7.5 基于損傷應(yīng)變軟化模型的水工隧洞熱–力耦合數(shù)值模擬 120
7.5.1 ABAQUS 用戶材料子程序 121
7.5.2 巖石損傷應(yīng)變軟化本構(gòu)模型的 UMAT 實(shí)現(xiàn) 122
7.5.3 水工隧洞熱–力耦合實(shí)例分析 125
7.6 不同條件下高溫水工隧洞受力變形特性 131
7.6.1 不同溫度邊界 132
7.6.2 不同埋深 133
7.6.3 不同側(cè)壓力系數(shù) 135
7.7 本章小結(jié) 136
參考文獻(xiàn) 137
第8章 高地溫水工隧洞溫度效應(yīng)及其施工優(yōu)化 140
8.1 概述 140
8.2 不同開(kāi)挖方式下高地溫水工隧洞溫度–應(yīng)力場(chǎng)耦合數(shù)值模擬 140
8.2.1 全斷面開(kāi)挖方式下溫度–應(yīng)力耦合數(shù)值模擬結(jié)果 140
8.2.2 分層開(kāi)挖方式下溫度–應(yīng)力耦合數(shù)值模擬結(jié)果 143
8.2.3 溫度–應(yīng)力耦合數(shù)值模擬結(jié)果分析 145
8.3 高地溫水工隧洞全生命周期溫度–應(yīng)力耦合數(shù)值模擬 146
8.3.1 應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果 146
8.3.2 塑性區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果 150
8.4 高地溫水工隧洞溫度效應(yīng) 151
8.4.1 溫度效應(yīng)分析 151
8.4.2 溫度效應(yīng)機(jī)制 152
8.5 本章小結(jié) 152
參考文獻(xiàn) 153
第9章 高地溫水工隧洞開(kāi)挖損傷區(qū)特征及分布規(guī)律研究 154
9.1 概述 154
9.2 高地溫水工隧洞開(kāi)挖損傷區(qū)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析 155
9.2.1 工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案 155
9.2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析 156
9.3 高地溫水工隧洞開(kāi)挖損傷區(qū)分布規(guī)律分析 159
9.3.1 模型參數(shù)的選取 160
9.3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬成果分析 161
9.3.3 高地溫巖體塑性區(qū)數(shù)值模擬成果分析 163
9.3.4 高地溫對(duì)巖體塑性區(qū)影響性分析 164
9.4 圍巖襯砌受力特性時(shí)間分布規(guī)律 164
9.4.1 模型及參數(shù)選取 165
9.4.2 圍巖及襯砌受力特性時(shí)間分布規(guī)律 167
9.4.3 位移時(shí)間分布規(guī)律 171
9.4.4 塑性應(yīng)變時(shí)間分布規(guī)律 173
9.5 圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的空間分布規(guī)律 175
9.5.1 最大主應(yīng)力空間分布規(guī)律 175
9.5.2 位移空間分布規(guī)律 177
9.5.3 塑性應(yīng)變時(shí)間分布規(guī)律 178
9.6 水工隧洞圍巖及襯砌受力特性的溫度效應(yīng) 179
9.7 本章小結(jié) 181
參考文獻(xiàn) 182
第三篇 高地溫水工隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工程實(shí)踐
第10章 高地溫水工隧洞噴層結(jié)構(gòu)承載特性分析 185
10.1 概述 185
10.2 高地溫隧洞噴層結(jié)構(gòu)承載特性 186
10.2.1 噴層結(jié)構(gòu)承載特性分析模型 186
10.2.2 噴層結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力計(jì)算 188
10.3 高地溫水工隧洞噴層結(jié)構(gòu)承載特性實(shí)例分析 190
10.3.1 工程概況及參數(shù)選擇 190
10.3.2 結(jié)果分析 191
10.4 高地溫水工隧洞噴層結(jié)構(gòu)承載特性數(shù)值模擬 193
10.4.1 數(shù)值模擬建立 193
10.4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析 194
10.5 噴層結(jié)構(gòu)承載特性影響因素分析 195
10.5.1 線膨脹系數(shù)對(duì)圍巖噴層結(jié)構(gòu)受力的影響 195
10.5.2 溫差對(duì)圍巖噴層結(jié)構(gòu)受力的影響 198
10.5.3 地應(yīng)力水平側(cè)壓力系數(shù)對(duì)圍巖噴層結(jié)構(gòu)受力的影響 201
10.5.4 噴層厚度對(duì)圍巖噴層結(jié)構(gòu)受力的影響 202
10.6 本章小結(jié) 204
參考文獻(xiàn) 205
第11章 高地溫水工隧洞噴層結(jié)構(gòu)施工期等效齡期強(qiáng)度分析 206
11.1 概述 206
11.2 等效齡期的概念 206
11.3 高地溫水工隧洞噴層結(jié)構(gòu)施工期等效齡期強(qiáng)度數(shù)值模擬 208
11.3.1 有限元數(shù)值模型及其材料參數(shù) 208
11.3.2 噴層的溫度歷程 209
11.3.3 噴層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析 210
11.3.4 噴層結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分析 212
11.3.5 與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析 213
11.4 本章小結(jié) 213
參考文獻(xiàn) 214
第12章 高地溫水工隧洞復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度力學(xué)特性耦合分析 215
12.1 概述 215
12.2 高地溫水工隧洞復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 216
12.2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案 216
12.2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)溫度成果分析 218
12.2.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)力成果分析 221
12.3 高地溫水工隧洞復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度–應(yīng)力耦合數(shù)值模擬 221
12.3.1 數(shù)值模擬基礎(chǔ)理論 221
12.3.2 仿真模擬溫度成果分析 224
12.3.3 仿真模擬應(yīng)力成果分析 225
12.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬對(duì)比分析 227
12.4.1 溫度變化對(duì)比分析 227
12.4.2 應(yīng)力變化對(duì)比分析 228
12.5 本章小結(jié) 228
參考文獻(xiàn) 229
第13章 高地溫水工隧洞復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì) 231
13.1 概述 231
13.2 高地溫水工隧洞復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)施工期瞬態(tài)仿真數(shù)值模擬 232
13.2.1 復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建及參數(shù)選擇 232
13.2.2 溫度全過(guò)程分析 233
13.2.3 位移全過(guò)程分析 236
13.2.4 應(yīng)力特征全過(guò)程分析 241
13.2.5 塑性區(qū)全過(guò)程分析 244
13.3 高地溫水工隧洞復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評(píng)價(jià) 246
13.4 復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度優(yōu)化設(shè)計(jì) 247
13.4.1 噴層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì) 248
13.4.2 隔熱層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì) 251
13.4.3 二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度優(yōu)化設(shè)計(jì) 251
13.5 復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案 254
13.5.1 應(yīng)力特征對(duì)比分析 255
13.5.2 位移特征對(duì)比分析 256
13.5.3 塑性