高地溫水工隧洞穩(wěn)定性與復合支護結(jié)構(gòu)工程應用

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 12
第一篇 高地溫水工隧洞熱力學參數(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 導熱系數(shù)敏感性分析 27
2.4.1 圍巖導熱系數(shù)的敏感性分析 27
2.4.2 噴層導熱系數(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 40
第3章 高地溫對圍巖力學參數(shù)及隧洞噴層溫度和應力的影響 41
3.1 概述 41
3.2 高地溫對圍巖力學參數(shù)的影響 42
3.3 高地溫對圍巖噴層溫度和應力的影響 45
3.4 本章小結(jié) 48
參考文獻 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–應力耦合作用下的彈性受力分析 51
4.2.1 彈性荷載應力分析 51
4.2.2 彈性溫度應力分析 52
4.2.3 溫度–應力耦合彈性總應力分析 54
4.3 溫度–應力耦合作用下的彈性力學特性 54
4.3.1 物理力學參數(shù)的選取 54
4.3.2 溫度應力計算參數(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 圍巖泊松比變化對圍巖力學特性的影響 62
4.5 本章小結(jié) 63
參考文獻 64
第二篇 高地溫水工隧洞力學特性及其塑性區(qū)演化特征
第5章 高地溫水工隧洞圍巖與支護結(jié)構(gòu)溫度場演化機制 67
5.1 概述 67
5.2 溫度場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 高地溫隧洞溫度場有限元計算 74
5.4 高地溫水工隧洞不同開挖方式溫度場特征 78
5.4.1 隧洞模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分 78
5.4.2 不同開挖方式下高地溫隧洞溫度場模擬 79
5.5 高地溫水工隧洞全生命周期溫度場規(guī)律 82
5.5.1 全生命周期的定義與計算方法 82
5.5.2 數(shù)值模擬模型 83
5.5.3 溫度場數(shù)值模擬結(jié)果 84
5.6 本章小結(jié) 88
參考文獻 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)的圍巖物理力學參數(shù)取值 91
6.2.3 數(shù)值計算模型及邊界條件 91
6.2.4 熱–力耦合作用下的圍巖合理計算范圍確定 92
6.3 熱–力耦合數(shù)值模擬計算 94
6.3.1 隧洞圍巖溫度場分析 95
6.3.2 圍巖計算應力與位移在兩種耦合機制下的比較分析 96
6.3.3 溫度、結(jié)構(gòu)應力 (位移) 與耦合應力 (位移) 之間的關(guān)系 97
6.3.4 常溫與高溫情況下圍巖計算應力和位移的對比分析 97
6.4 本章小結(jié) 100
參考文獻 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 應變軟化本構(gòu)方程 115
7.4.2 參數(shù)確定及模型驗證 117
7.4.3 受損機制分析 119
7.5 基于損傷應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 巖石損傷應變軟化本構(gòu)模型的 UMAT 實現(xiàn) 122
7.5.3 水工隧洞熱–力耦合實例分析 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 137
第8章 高地溫水工隧洞溫度效應及其施工優(yōu)化 140
8.1 概述 140
8.2 不同開挖方式下高地溫水工隧洞溫度–應力場耦合數(shù)值模擬 140
8.2.1 全斷面開挖方式下溫度–應力耦合數(shù)值模擬結(jié)果 140
8.2.2 分層開挖方式下溫度–應力耦合數(shù)值模擬結(jié)果 143
8.2.3 溫度–應力耦合數(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–應力耦合數(shù)值模擬 146
8.3.1 應力場數(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 151
8.4.1 溫度效應分析 151
8.4.2 溫度效應機制 152
8.5 本章小結(jié) 152
參考文獻 153
第9章 高地溫水工隧洞開挖損傷區(qū)特征及分布規(guī)律研究 154
9.1 概述 154
9.2 高地溫水工隧洞開挖損傷區(qū)現(xiàn)場監(jiān)測分析 155
9.2.1 工程現(xiàn)場監(jiān)測方案 155
9.2.2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析 156
9.3 高地溫水工隧洞開挖損傷區(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)場監(jiān)測與數(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 高地溫對巖體塑性區(qū)影響性分析 164
9.4 圍巖襯砌受力特性時間分布規(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間分布規(guī)律 167
9.4.3 位移時間分布規(guī)律 171
9.4.4 塑性應變時間分布規(guī)律 173
9.5 圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)力學特性的空間分布規(guī)律 175
9.5.1 最大主應力空間分布規(guī)律 175
9.5.2 位移空間分布規(guī)律 177
9.5.3 塑性應變時間分布規(guī)律 178
9.6 水工隧洞圍巖及襯砌受力特性的溫度效應 179
9.7 本章小結(jié) 181
參考文獻 182
第三篇 高地溫水工隧洞支護結(jié)構(gòu)設(shè)計及其工程實踐
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)熱應力計算 188
10.3 高地溫水工隧洞噴層結(jié)構(gòu)承載特性實例分析 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)對圍巖噴層結(jié)構(gòu)受力的影響 195
10.5.2 溫差對圍巖噴層結(jié)構(gòu)受力的影響 198
10.5.3 地應力水平側(cè)壓力系數(shù)對圍巖噴層結(jié)構(gòu)受力的影響 201
10.5.4 噴層厚度對圍巖噴層結(jié)構(gòu)受力的影響 202
10.6 本章小結(jié) 204
參考文獻 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)的應力分析 210
11.3.4 噴層結(jié)構(gòu)的應變分析 212
11.3.5 與實測數(shù)據(jù)對比分析 213
11.4 本章小結(jié) 213
參考文獻 214
第12章 高地溫水工隧洞復合支護結(jié)構(gòu)溫度力學特性耦合分析 215
12.1 概述 215
12.2 高地溫水工隧洞復合支護結(jié)構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測 216
12.2.1 現(xiàn)場監(jiān)測試驗方案 216
12.2.2 現(xiàn)場監(jiān)測溫度成果分析 218
12.2.3 現(xiàn)場監(jiān)測應力成果分析 221
12.3 高地溫水工隧洞復合支護結(jié)構(gòu)溫度–應力耦合數(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 仿真模擬應力成果分析 225
12.4 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬對比分析 227
12.4.1 溫度變化對比分析 227
12.4.2 應力變化對比分析 228
12.5 本章小結(jié) 228
參考文獻 229
第13章 高地溫水工隧洞復合支護結(jié)構(gòu)適應性評價及優(yōu)化設(shè)計 231
13.1 概述 231
13.2 高地溫水工隧洞復合支護結(jié)構(gòu)施工期瞬態(tài)仿真數(shù)值模擬 232
13.2.1 復合支護結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建及參數(shù)選擇 232
13.2.2 溫度全過程分析 233
13.2.3 位移全過程分析 236
13.2.4 應力特征全過程分析 241
13.2.5 塑性區(qū)全過程分析 244
13.3 高地溫水工隧洞復合支護結(jié)構(gòu)適應性評價 246
13.4 復合支護結(jié)構(gòu)厚度優(yōu)化設(shè)計 247
13.4.1 噴層厚度優(yōu)化設(shè)計 248
13.4.2 隔熱層厚度優(yōu)化設(shè)計 251
13.4.3 二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度優(yōu)化設(shè)計 251
13.5 復合支護結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計方案 254
13.5.1 應力特征對比分析 255
13.5.2 位移特征對比分析 256
13.5.3 塑性