英语词汇分类记忆.doc

目录1引言12.蠕变本构试验研究22.1本构关系22.2蠕变本构方程及参数53隧道开裂段离散元数值模拟研究73.1离散元黏性本构模型式73.2阻尼系数选取73.3时步选取83.4共和隧道离散元模型93.5隧道破坏模式分析93.6隧道锚杆支护结构受力分析104结论12共和隧道开裂段页岩蠕变本构试验及离散元数值模拟研究1引言共和隧道是西部大开发省际公路通道重庆长沙高速公路彭水武隆段的控制性工程，右洞长4 779 m，左洞长4 745 m。其穿越的页岩地层部分地段岩石层理、节理发育，隧道开挖后围岩变形严重，最大水平收敛速度达16mm/d，最大拱顶下沉速度为14 mm/d，累计最大收敛及拱顶下沉量分别达310 mm和200mm，导致隧道初期支护纵向开裂，支护结构扭曲破坏，初期支护严重侵线，给施工带来了巨大难题（见图1）。在复杂地质条件下，隧道初期支护破坏和围岩失稳时有发生，如共和隧道这么严重的情况却十分少见，这类问题与围岩岩性及支护结构设计联系紧密。共和隧道开裂段围岩为砂质页岩，现场实际监测资料表明页岩层理、节理发育并具有一定蠕变性。岩体工程的失稳和破坏绝大多数都与岩石的蠕变特性有关，为了保证岩土工程施工安全及长期稳定性，岩石的蠕变研究越来越被人们重视，得了许多有意义的成果。本文对共和隧道页岩进行蠕变试验，通过试验得到不同应力水平下的应变-时间关系曲线，建立与之相适应的蠕变模型，并推导出蠕变公式，计算出公式中相应参数，为数值计算提供计算参数。数值计算是隧道支护结构设计的有效手段，可以灵活调整各种参数达到最优的设计效果。目前应用较为广泛的数值计算方法有有限元、边界元等，这些方法在模拟非连续介质力学行为方面存在诸多限制。离散元法是一种分析不连续岩体运动与变形的数值分析方法。它建立在牛顿第二定律基础之上，可以分析刚体、变形体的力学行为块体之间的力通过块体间接触作用相互传递，适合于求解弹塑性、大变形和动力问题。在静力和动力求解过程中离散元均采用时步步进的动态松驰法，可以模拟结构的变形和破坏过程，实现过程的仿真。本文在页岩蠕变试验的基础上，应用离散元数值计算方法对隧道开裂段施工全过程进行研究，分析隧道围岩可能的破坏模式以及隧道锚杆支护结构的受力情况等，为共和隧道破坏段支护设计提供了重要参考。为隧道开裂段初期支护结构新方案的设计提供了重要支撑，成功地解决了共和隧道初期支护纵向开裂的工程难题。2.蠕变本构试验研究2.1本构关系应变-时间关系曲线及特性分析进行蠕变试验前，先进行了页岩的单、三轴试验，得到了共和隧道高地应力大变形破坏段页岩的基本力学参数（见表1）。表1共和隧道页岩力学参数表根据页岩的抗压强度确定试验应力点为15、20、25、30 MPa，这样可以确保页岩试件最终保持在稳定蠕变阶段，而不出现加速蠕变破坏阶段。在GFQI型单轴压缩流变仪上进行页岩蠕变试验，从共和隧道破坏段围岩采取岩石，加工成5 cm5 cm10 cm的长方体岩样试件。用同类岩样制成一组试件，对每个试件施加不同的恒定荷载，然后测出试件应变随时间的变化，得到不同应力水平下页岩的应变-时间关系曲线。表2是蠕变试验关键时间点的试验数据。表2蠕变试验数据（单位：10-6）对不同应力点的数据进行回归分析，可以分别得到应力水平为15、20、25、30 MPa等几个应力点页岩的应变-时间曲线。图2为加压15 MPa时页岩应变-时间曲线图，其回归方程为 其回归相关系数为0.998 8。图3为加压20 MPa时页岩应变-时间曲线，其回归方程为 其回归相关系数为0.998 5。图4为加压25 MPa时页岩应变-时间曲线，其回归方程为 其回归相关系数为0.999 1。图5为加压30 MPa时页岩应变-时间曲线，其回归方程为 其回归相关系数为0.996 4。分析不同应力水平的应变-时间关系曲线可以得知：（1）页岩试件在恒定荷载作用下,应变随时间增加而增长，即发生明显的蠕变现象。（2）页岩试件的应变速率随时间增加而逐步减小，直至不变，处于典型蠕变曲线的前2个阶段：即初始蠕变阶段和等速蠕变阶段。产生的蠕变具有稳定的性质。（3）页岩试件产生的瞬时应变量，随应力的增大而增大。（4）随着应力的增大，试件的应变速率有增大的趋势。（5）4种荷载状态下页岩试验数据回归的应变-时间方程相关系数最小为0.996 4，表明回归所得方程能够很好反映页岩的实际应变-时间关系。2.2蠕变本构方程及参数下面从理论上推导页岩蠕变本构方程及其参数。从试验结果拟合获得的不同应力水平下应变-时间关系曲线可以看出，页岩试件有瞬弹变形，则蠕变模型应有弹性元件；蠕变曲线反映了应变随时间增加而增大的关系，则模型应有黏性元件；在加载应力小于单轴抗压强度时，应变随时间趋于稳定值，即不发生加速蠕变破坏的情况。综上所述，可采用H-K广义开尔文三元件模型来分析不同应力水平下的蠕变试验结果（见图6）。由于串联，对于广义开尔文元件，有： 整理后，得蠕变方程为对比式（8）和式（1）（4），可以发现它们形式一样，都是负指数函数，可以得到不同荷载状态下E0、E1、的取值，见表3。3隧道开裂段离散元数值模拟研究3.1离散元黏性本构模型式（8）的本构方程是一个典型的H-K广义开尔文模型。因此，在离散元计算中接触模型采用H-K广义开尔文模型来表示（见图7）。当两相邻单元的圆盘距等于或小于它们的半径之和时，它们之间的接触模型被激活。3.2阻尼系数选取颗粒DEM中阻尼系数的选取可参考连续介质中阻尼的取法，引入工程中的黏性阻尼概念采用Rayleigh线性比例阻尼： 式中：C为阻尼矩阵；M为质量阻尼矩阵；K为刚度阻尼矩阵；为质量阻尼比例系数；为刚度阻尼比例系数。和可由下式确定：3.3时步选取时步计算的理论基础是求解单自由度有阻尼弹性体系的中心差分格式下的临界时步t。对于动力方程： 式中：m为颗粒单元质量；u为位移；k为刚度系数。由中心差分法，u可写成： 将上式代入式（11）中，有： 根据差分理论，式（14）的解为 为了使解具有振荡性，u (t)必须是复数，即要求： 又由2/n=T，T为固有振动周期，可把式（17）写成： 理论证明，系统的最小固有振动周期总是大于其中任何一个单元的最小固有振动周期Tmin，将后者用于时步计算，其结果是安全的。因此，在DEM计算中取时步： 3.4共和隧道离散元模型根据隧道的实际地质情况和自然坡的关系，结合岩石层面产状和自然坡的陡缓情况，建立离散元计算模型进行分析。具体模型参数如下：（1）自然斜坡高度为500 m，宽度为500 m，计算模型总长为700 m，模型总高度为700 m。（2）自然坡度为3545，层厚为0.3545 m，层面外倾，倾角约3545。（3）初始应力按照Y方向为重力，X方向水平应力为重力的1.2倍，Z方向取重力的2/3。（4）边界条件如下：左右边界X方向固定，其中右边界只固定下部，下边界为X、Y方向固定，斜坡和上边界为自由边界。3.5隧道破坏模式分析采用降低隧道围岩、层理和节理力学参数使隧道围岩变形增大的方法分析隧道可能的破坏模式，确定破坏位置。图8和图9分别为隧道一个模型的整体和隧道局部变形破坏图。5种不同参数模型计算表明，隧道破坏时层面最小厚度为0.350.45 mm，隧道破坏位置最先出现在隧道右拱肩，该处的位移量为在10.814.4 cm之间，与隧道开挖后实际变形破坏段的监控量测情况基本吻合。因此，设计隧道开挖方式及支护形式时，应着重考虑避免对隧道右拱肩的扰动以及加强隧道右拱肩的支护。隧道在右上部破坏的条件是：自然坡为切层坡，隧道岩层较薄，原因是此处为最大主应力。垂直层面或和层面大角度相交，岩层受压弯曲折断。控制破坏的主要因素：岩石自身的强度和层面的产状及与自然坡的关系。这一结论为成功解决隧道变形破坏段的支护设计问题提供了重要参考。3.6隧道锚杆支护结构受力分析保持模型参数不变，只改变锚杆长度，研究锚杆长度对隧道围岩变形的影响，为确定合理的锚杆参数提供依据。计算中采用了4种不同的锚杆长度，分别为3.5、6.5、8.5、11.5 m。图1013为不同锚杆长度时隧道围岩的变形情况。从计算结果可知，当锚杆长度从3.5 m增加到6.5 m时，隧道围岩位移减小十分明显；当锚杆长度从6.5 m增加到8.5 m和11.5 m时隧道围岩位移基本没有发生变化，说明6.5 m长的锚杆可以较好地起到锚杆的悬吊作用，隧道围岩的松动范围应在6.5 m之内，但大于3.5 m。隧道破坏段现场松动圈探测结果为6 m，与数值模拟结果吻合良好。这一结论为隧道破坏段的锚杆设计提供了可靠参数。4结论本文对共和隧道页岩进行蠕变试验，得到了以下一些结论：（1）页岩试件在恒定荷载作用下，应变随时间增加而增长，即发生明显的蠕变现象。（2）荷载小于抗压强度，页岩