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原文传递基于跨尺度的深部隧洞围岩损伤机理及工程应用研究

论文题名：	基于跨尺度的深部隧洞围岩损伤机理及工程应用研究
关键词：	深埋隧洞;围岩损伤;分区耦合;数值模拟;室内试验
摘要：	隧洞工程在国家重大战略部署中发挥着至关重要的作用，然而深埋隧洞工程处于高地应力环境下，为保证隧洞结构稳定，预防围岩变形造成的工程灾害，需要从不同尺度上分析围岩的变形规律及损伤机理。连续-离散的耦合数值模拟方式可以有效应用于跨尺度研究岩体问题中，因此本文创新性地提出引入过渡区域优化耦合模拟方式，于实验室尺度和工程尺度应用含过渡区的耦合模拟方法，研究深部隧洞围岩在不同尺度上的变形损伤机理，本文的研究内容主要包括：　　(1)有限元区域ΩF与离散元区域ΩD接触面会产生能量反射问题，影响数值模拟的准确性。为此，本文提出构建D-DF-F型数值模拟模型，该模型基于虚位移原理引入贡献函数α(x)，在ΩF与ΩD接触位置产生一同时含有限元网格和离散元颗粒的过渡区域ΩDF，对耦合模拟方式进行一定程度上的优化，实现两子域之间的稳定衔接。通过拉格朗日乘数法为相同位置处的离散元素与离散化的有限单元施加运动学约束，最后以直杆运动问题为例，验证模型优化的合理性。　　(2)在实验室尺度上研究围岩损伤变形问题，设计并开展花岗岩-喷射混凝土复合结构梁的四点弯曲试验，共采用两种不同力学性能的花岗岩材料，以及C25和C50两种型号的喷射混凝土材料，测试材料参数并制作试验试件。通过MTS试验机开展试验，观测到宏观裂纹在结构跨中位置处萌生并扩展，试验测得复合试件弯曲破坏过程的荷载-裂纹宽度(COD)曲线，结合物理关系、几何关系和静力学关系，推导复合试件跨中位置处弯曲变形的挠曲线近似方程，总结得到了花岗岩-喷射混凝土复合结构梁弯曲破坏的变形机理。　　(3)在离散元软件PFC3D中进行试验涉及材料的宏细观力学参数拟合工作，通过单轴压缩标定法对各细观参数的影响进行敏感性分析，总结拟合规律关系，最终确定各材料的细观力学参数。通过有限差分软件FLAC3D和PFC3D软件建立D-DF-F模型，进行花岗岩-喷射混凝土梁四点弯曲的数值模拟，模拟结果与试验结果吻合度较高，充分验证了花岗岩和喷射混凝土的弹性模量和抗压强度分别对复合结构变形的影响机理，即喷射混凝土的强度决定了复合结构的极限承载能力，喷射混凝土和花岗岩的弹性模量越高，复合结构变形程度越大，破坏产生的裂纹越宽。同时得到了复合试件的断裂过程分为弹性变形、试件迅速开裂，试件断裂失稳三个阶段，以及各阶段的裂纹扩展规律。　　(4)以“引松入长”引水隧洞工程为依托，研究D-DF-F模型在工程尺度上的应用，于Ⅲ级围岩段、Ⅳ级围岩段各选取一处深埋工程为研究对象，基于深部隧洞开挖导致的围岩应力重分布规律，确定模型的几何尺寸与离散元子域的范围，计算并施加地应力。通过FLAC3D和PFC3D软件建立隧洞开挖卸荷模型，模拟得到了围岩径向应力场、切向应力场、位移场的变化规律，模拟发现隧洞拱顶和拱底位置处围岩变形损伤较为严重。通过对比实际工程数据和FLAC3D模拟数据，展现了D-DF-F模型在研究工程尺度岩体问题上的优势，既可以在岩体大变形及损伤部位设置离散元颗粒，还原岩体各向异性及不均匀性的特点，展示岩体破裂、裂纹萌生及扩展，也可以降低离散颗粒数量级，保证计算效率。　　本文研究结果对推动连续-离散耦合数值模拟方法在多尺度研究深埋隧洞变形损伤问题上的应用起到了一定参考价值。
作者：	白逸凡
专业：	建筑与土木工程
导师：	李晓静;冯修新
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2021