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基于安全系数法的地下洞室围岩稳定评价方法研究

作　者: 王冬林
导　师: 李宗利
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 地下洞室屈服准则统一强度理论安全系数稳定分析
分类号: TU457
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

地下洞室围岩稳定问题是岩土工程中的一个重要研究内容，评价结果的正确与否直接关系到工程的安全与否。目前比较常用的评价方法是通过位移或者塑性区大小进行围岩稳定评价，局限性是不能确定围岩在何种情况下破坏，也不能得到围岩的安全系数。与其他方法相比，安全系数法建立在理论基础之上，具有清晰的物理表达式，可得到唯一的解，是更加科学合理的稳定评价方法。通过安全系数法可以建立地下洞室围岩稳定评价的量化指标，给出围岩稳定的安全范围，为地下洞室的结构工程设计提供理论支撑。针对地下洞室围岩稳定评价方法和不同屈服准则下材料本构模型选取两个方面的问题，本文主要开展了以下研究工作：1.提出以点安全系数作为地下洞室围岩稳定评价统一判据的安全系数法，对不同方法安全系数定义的合理性进行探讨。分别推导Tresca、Mises、Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、统一强度理论在应力空间和应变空间的安全系数定义。探讨目前普遍使用的单轴强度安全系数存在的不足，从应力路径、失效距离和位移变形等方法入手定义的多轴强度安全系数。2.通过实例分析，比较不同方法的优缺点。基于ADINA软件实现Mohr-Coulomb点安全系数的计算，对地下洞室围岩稳定进行评价。与传统的位移法和塑性区法相比较，点安全系数更能反映岩体的破坏规律，反映围岩各部分的安全程度。验证了基于Mohr-Coulomb准则的安全系数计算方法在边坡以及地下洞室稳定性研究中的可行性，对于围岩稳定评价方法研究有新的参考价值。比较不同方法定义的安全系数，表明用应变定义的安全系数能够更加准确的对地下洞室围岩稳定进行评价。3.根据统一强度理论推导弹塑性本构矩阵，编写相应的Fortran程序。利用自编软件对隧洞算例进行计算，结合Surfer软件绘制统一强度安全系数等值线图。与ADINA软件计算的Mohr-Coulomb安全系数进行比较，两者安全系数分布规律比较一致，表明该程序具有一定的通用性。进一步研究表明，统一强度安全系数确定的地下洞室围岩破坏范围小于Mohr-Coulomb安全系数给出的不稳定范围，验证了统一强度安全系数法作为地下洞室围岩稳定评价方法的合理性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-16
  1.1 选题目的和意义  10-11
  1.2 国内外关于地下洞室围岩稳定评价方法的研究  11-14
    1.2.1 地下洞室围岩位移、应力计算方法  11-12
    1.2.2 围岩失稳判据评价方法  12-14
  1.3 本文研究内容及技术路线  14-15
    1.3.1 本文研究的主要内容  14
    1.3.2 研究的技术路线  14-15
  1.4 本研究的预期成果  15-16
第二章不同方法安全系数定义与分析  16-34
  2.1 前言  16
  2.2 单轴强度安全系数的定义及推广  16-24
    2.2.1 传统安全系数的定义  16-17
    2.2.2 传统安全系数定义的推广  17-20
    2.2.3 多轴强度安全系数的定义  20-23
    2.2.4 不同方法的合理性  23-24
  2.3 基于屈服函数的安全系数定义  24-33
    2.3.1 安全系数在应力空间的定义  24-29
    2.3.2 安全系数在应变空间的定义  29-32
    2.3.3 各种屈服准则准则的评价  32-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章基于 ADINA 软件的地下洞室围岩稳定评价  34-44
  3.1 前言  34
  3.2 ADINA 软件中点安全系数的定义  34
  3.3 实例分析  34-42
    3.3.1 边坡稳定算例分析  35-37
    3.3.2 隧洞稳定分析  37-42
  3.4 本章小结  42-44
第四章基于统一强度理论的点安全系数法  44-56
  4.1 前言  44
  4.2 统一强度理论本构模型  44-48
    4.2.1 统一强度理论  44-46
    4.2.2 统一强度理论的弹塑性本构模型  46-47
    4.2.3 角点奇异性的处理  47-48
  4.3 有限元程序设计与应用  48-53
    4.3.1 程序基本结构  48-50
    4.3.2 子程序功能表  50-52
    4.3.3 主要子程序流程  52-53
  4.4 实例分析  53-55
  4.5 本章小结  55-56
第五章结论与展望  56-58
  5.1 本研究的创新点及结论  56
  5.2 研究的不足及未来的展望  56-58
参考文献  58-62
致谢  62-63
作者简介  63

基于安全系数法的地下洞室围岩稳定评价方法研究

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