论文摘要
随着国家基础设施建设的蓬勃发展和“一带一路”战略的实施,我国的交通和水电建设正在迈向世界各地。大量深长隧道将建造在埋藏深度大、地应力高、岩溶发育密集等复杂的地质环境下。在隧道开挖过程中经常会遭遇重大地质灾害,如突水、涌泥、塌方、围岩大变形和山体滑坡等。据有关资料统计,在岩溶地区的隧道施工过程中,80%的重大事故是由突水突泥引起的,突水突泥重大灾害的发生对人员安全、国民经济和生态环境造成了严重损失。突水突泥灾害难以遏制的根本原因在于对突水突泥致灾机理认识不清。数值模拟对于研究突水突泥灾变演化机理和演化过程是必不可少的。实际上,突水突泥灾变演化过程实质上就是一个应力-渗流流固耦合问题。现有的流固耦合模型不能恰当描述充填介质颗粒流失和围岩破裂失稳诱发的隧道突水突泥渐进性过程,因此,隧道全开挖过程中的突水突泥数值模拟还不能有效地进行。因此,本论文目的是建立考虑颗粒流失与岩石破裂突水突泥流固耦合计算模型与分析方法。（1）首先研究了颗粒流失的渐进过程和机理。总结了土体内部侵蚀稳定性评判的几何准则,评价了所涉及试验材料的内部侵蚀稳定性。研究了水力梯度、水力加载历史和时间对土体颗粒流失的影响规律。提出了在任意水力加载历史条件下描述颗粒流失量随水力梯度和时间变化的函数表征关系,并通过与颗粒流失试验结果对比验证了函数关系的合理有效性,且进一步讨论了水力加载历史和流失速率系数对颗粒流失的影响。最后,基于Kozeny-Carman公式和前述颗粒流失量函数关系,建立了颗粒流失过程中的渗透率演化模型,同样通过颗粒流失试验进行了验证。提出的颗粒流失量函数关系和渗透率演化模型可用于模拟堤坝、边坡和隧道工程等领域的渗流或流固耦合问题。（2）发展了一种考虑颗粒流失的渗流模拟方法。将提出的颗粒流失率和渗透率演化模型在有限元程序PANDAS软件平台上进行了数值实现,并进一步应用于隧道开挖过程中遭遇断层破碎带时充填泥沙流失过程中渗透率、涌水量等变化规律分析。另外,提出了降雨条件下断层破碎带或岩溶裂隙带中动态水头的预测模型,并应用到案例应用当中,讨论了降雨条件对颗粒流失的影响进而对隧道涌水量的影响。（3）基于假设“固体颗粒间界面接触面积比的变化率与颗粒流失量体积比呈线性相关”,通过建立Biot固结系数与颗粒流失量体积比的关系,发展了可以描述颗粒流失过程的有效应力原理。建立了有效应力、固体应力和应变随颗粒流失的关系式,可以描述随着颗粒流失有效应力降低、固体应力升高以及应变增加的现象。并基于有效应力,进一步建立了颗粒流失过程中的平衡方程。考虑颗粒流失对孔隙率增量的影响,建立了颗粒流失的渗流连续性方程。基于上述研究,建立考虑颗粒流失作用的流固耦合计算模型。此外,推导了描述颗粒流失过程的Mohr-Coulomb准则的表达式,公式表明随着颗粒流失土体更容易发生压剪破坏。最后,分别采用Biot固结理论和新提出的考虑颗粒流失的流固耦合模型进行案例分析,结果对比发现,相对于Biot固结理论,考虑颗粒流失计算得到了一个额外固结沉降量,这与实际工程情况相符合,也验证了模型的合理有效性。（4）发展了一个用于围岩破裂失稳诱发的隧道突水突泥的流固耦合计算模型。目前应用于大多数仿真软件的单一本构模型无法描述任意围压条件下峰后的应力-应变特性。研究了不同围压条件下应力峰值、峰后跌落强度和应变软化的变化规律,建立了不同围压条件下可描述岩石弹性-应变软化·残余阶段的弹塑性简化模型;提出跌落系数和软化系数来分别描述单轴和三轴条件下峰后应力跌落强度的关系以及应变软化参数的关系,并研究不同围压对跌落系数和软化系数的影响规律,分别建立跌落系数和软化系数随围压变化的关系曲线;最终建立任意围压条件下应变软化预测模型（AESS模型）。其次,基于AESS模型建立了任意围压条件下三阶段体积应变模型（ATVD模型）;模型分为弹性压缩,软化膨胀和体积不变阶段,分别对应于应力-应变曲线的线弹性、应变软化和残余阶段;同样提出了膨胀系数来描述单轴和三轴条件下膨胀参数的关系,建立了膨胀系数随围压变化的关系曲线。最后,体积应变对渗透率有明显的影响作用,基于ATVD模型提出了体积应变敏感的渗透率演化模型。上述应力-应变、体积应变和渗透率演化三个简化模型是相互统一的,它们的三个阶段是相互对应的,因此可以统一为一个可以描述岩石力学-渗流耦合特性的计算模型。（5）采用PANDAS程序中的流固耦合模型模拟高压充水溶洞诱发隧道突水突泥演化过程。以齐岳山隧道为例,研究了有高压充水溶洞影响下隧道围岩的主应力、位移、水压力和流体速度的变化规律。此外,还讨论了溶洞位置、大小以及隧道与溶洞之间的距离对主应力和位移的影响规律。
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英文部分 ABSTRACT CHAPTER 1 INTRODUCTION 1.1 RESEARCH BACKGROUND 1.2 RESEARCH OBJECTS 1.3 RESEARCH ROUTE 1.4 OUTLINE AND INNOVATIVE FEATURES Ty1.4.1 Outline 1.4.2 Innovative features REFERENCES CHAPTER 2 EROSION LAW AND PERMEABILITY EVOLUTIONINDUCED BY SUFFUSION OF PROGRESSIVE WATER AND MUD INRUSH. 2.1 LITERATURE REVIEW 2.2 MECHANISMS OF INTERNAL EROSION BY SUFFUSION 2.2.1 Geometrical criteria for internal stability 2.2.2 Internal stability of tested specimens 2.2.3 Relation of cumulative eroded soil mass and hydraulic gradient 2.2.4 Variation of cumulative eroded soil mass with time 2.3 EROSION LAW OF INTERNAL EROSION BY SUFFUSION 2.3.1 Fundamental assumptions 2.3.2 Equations of erosion law 2.3.3 Case verification for erosion law 2.3.4 Influence of hydraulic loading history 2.3.5 Influence of the erosion rate coefficient （?） 2.4 PERMEABILITY EVOLUTION MODEL INDUCED BY SUFFUSION 2.4.1 Kozeny-Carman equation 2.4.2 Variation of permeability with the increment of porosity 2.4.3 Equation of permeability evolution 2.4.4 Case verification for permeability equation 2.5 CONCLUSIONS REFERENCES CHAPTER 3 NUMERICAL IMPLEMENTATION OF EROSION LAW ANDPERMEABILITY EVOLUTION WITH PANDAS CODE AND ITSAPPLICATION 3.1 LITERATURE REVIEW 3.2 NUMERICAL IMPLEMENTATION OF SUFFUSION MODEL WITH PANDAS CODE 3.2.1 Parallel adaptive nonlinear deformation analysis software （PANDAS） 3.2.2 Suffusion model for seepage flow 3.3 DETERMINATION METHOD OF HYDRAULIC PRESSURE HEAD IN RAIN 3.3.1 Conceptual model 3.3.2 Fundamental assumptions 3.3.3 Variation of hydraulic pressure head in rain 3.4 APPLICATION ON QIYUESHAN TUNNEL ENGINEERING 3.4.1 Engineering background 3.4.2 Rainfall depth duration curve and water inflow 3.4.3 Simulation model and scenarios 3.4.4 Simulation results 3.5 DISCUSSION 3.5.1 Effects of rain 3.5.2 Effects of erosion rate coefficient （?） 3.6 CONCLUSIONS REFERENCES CHAPTER 4 HYDRO-MECHANICAL COUPLING MODEL OF SUFFUSIONFOR WATER AND MUD INRUSH 4.1 LITERATURE REVIEW 4.2 BIOT'S GENERAL THEORY OF THREE-DIMENSIONAL CONSOLIDATION 4.2.1 Stress equilibrium conditions 4.2.2 Strain related to stress and water pressure 4.2.3 General equations governing consolidation 4.3 EFFECTIVE STRESS PRINCIPLE FOR SUFFUSION 4.3.1 Equilibrium equations at interfacial contact of particles 4.3.2 Shear strength at the interfacial contact 4.3.3 Interfacial contact area ratio 4.3.4 Effective stress equations for suffusion 4.3.5 Elastic modulus for suffusion 4.4 HYDRO-MECHANICAL COUPLED GOVERNING EQUATIONS FOR SUFFUSION 4.4.1 Equilibrium equations for suffusion 4.4.2 Seepage continuity equation for Suffusion 4.4.3 Governing equations 4.4.4 Shear Strength and Damage criterion 4.5 CASE VERIFICATION 4.5.1 General settings of a case 4.5.2 Governing equations for case study 4.5.3 Comparisons with Biot's results 4.6 DISCUSSION ABOUT THE INFLUENCE OF INTERFACIAL CONTACT AREA RATIO 4.7 CONCLUSIONS REFERENCES CHAPTER 5 HYDRO-MECHANICAL COUPLING MODEL OFPROGRESSIVE WATER AND MUD INRUSH BASED ON AESS MODEL OFTUNNEL SURROUNDING ROCK 5.1 LITERATURE REVIEW 5.2 ADAPTIVE ELASTIC STRAIN-SOFTENING MODEL (AESS MODEL OF COMPRESSIVESTRESS-STRAIN RELATION 5.2.1 Fundamental assumptions 5.2.2 Conceptual model of stress-strain relations at different confining pressure 5.2.3 Degradation index for strength degradation at arbitrary confining pressure 5.2.4 Relation between degradation index and confining stress 5.2.5 Softening index for strain-softening stage at arbitrary confining pressure 5.2.6 Relation between the softening index and confining stress 5.3 ADAPTIVE TRILINER VOLUMETRIC DILATANCY MODEL （ATVD MODEL） OFVOLUMETRIC STRAIN IN A COMPRESSIVE STRESS-STRAIN PROCESS 5.3.1 Fundamental assumptions 5.3.2 Conceptual model of volumetric strain at different confining pressure 5.3.3 Dilatancy index for softening dilatancy at arbitrary confining pressure 5.3.4 Relation between dilatancy index and confining stress 5.4 ELASTIC BRITTLE MODEL OF TENSILE STRESS-STRAIN RELATION 5.5 VOLUMETRIC STRAIN-BASED PERMEABILITY EVOLUTION IN THE STRESS-STRAINPROCESS 5.5.1 Permeability evolution in compressive stress-strain process 5.5.2 Permeability evolution in tensile stress-strain process 5.6 COUPLING EQUATIONS AND DAMAGE CRITERION 5.6.1 Hydro-mechanical coupling equations 5.6.2 Damage criterion 5.6.3 Elastic strain-softening model based on Mohr-Coulomb criterion 5.7 CONCLUSIONS REFERENCES CHAPTER 6 HYDRO-MECHANICAL INTERACTION ANALYSIS OFWATER AND MUD INRUSH SUBJECTED TO A HIGH PRESSURE KARSTCAVE 6.1 LITERATURE REVIEW 6.2 GOVERNING EQUATIONS FOR PANDAS 6.2.1 Coupling equations 6.2.2 Virtual velocity equation 6.2.3 Time integration algorithm 6.2.4 Time step size control 6.3 PERMEABILITY EVOLUTION IN THE STRESS-STRAIN PROCESS OF LIMESTONE 6.4 ENGINEERING BACKGROUND AND COMPUTATIONAL MODEL OF QIYUESHANTUNNEL 6.4.1 Engineering background 6.4.2 Computational model 6.4.3 Hydro-mechanical interaction analysis of results 6.5 DISCUSSION 6.5.1 Effects of position of a karst cave 6.5.2 Effects of size of a karst cave 6.5.3 Effects of distance between the tunnel and a karst cave 6.6 CONCLUSIONS REFERENCES CHAPTER 7 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS 7.1 CONCLUSIONS 7.2 RECOMMENDATIONS APPENDIX APPENDIX Ⅰ APPENDIX Ⅱ中文部分 摘要 第一章 绪论 1.1 研究背景 1.2 研究目标 1.3 技术路线 1.4 主要研究内容和创新点 1.4.1 主要研究内容 1.4.2 主要创新点 参考文献 第二章 渗透失稳渐进性突水突泥颗粒流失率和渗透率演化模型 2.1 引言 2.2 颗粒流失机理 2.2.1 土体内部稳定性判别准则 2.2.2 试样内部稳定性 2.2.3 累积颗粒流失量与水力梯度的关系 2.2.4 累积颗粒流失量随时间的变化关系 2.3 颗粒流失率 2.3.1 基本假设 2.3.2 颗粒流失率的函数表征关系 2.3.3 案例对比验证 2.3.4 水力加载历史的影响 2.3.5 颗粒流失速率系数（?）的影响 2.4 颗粒流失过程中渗透率演化模型 2.4.1 Kozeny-Carman公式 2.4.2 渗透率与孔隙率增量的变化关系 2.4.3 渗透率演化方程 2.4.4 案例对比验证 2.5 小结 参考文献 第三章 颗粒流失率与渗透率演化模型在PANDAS软件平台上的数值实现及应用 3.1 引言 3.2 基于PANDAS程序的潜蚀模型数值实现 3.2.1 并行自适应非线性变形分析软件（PANDAS） 3.2.2 考虑颗粒流失的渗流模型 3.3 降雨条件下导水断层破碎带或岩溶裂隙带中水头的确定方法 3.3.1 概念模型 3.3.2 基本假设 3.3.3 降雨条件的水头变化 3.4 齐岳山隧道工程应用 3.4.1 工程背景 3.4.2 降雨量历时关系曲线与涌水量 3.4.3 数值模型与工况 3.4.4 数值模拟结果 3.5 讨论 3.5.1 降雨量影响 3.5.2 颗粒流失速率系数（?）影响 3.6 结论 参考文献 第四章 渗透失稳渐进性突水突泥流固耦合模型 4.1 引言 4.2 BIOT三维固结理论 4.2.1 应力平衡条件 4.2.2 应力、水压力与应变 4.2.3 固结控制方程 4.3 颗粒流失过程中的有效应力原理 4.3.1 颗粒接触界面的平衡方程 4.3.2 接触界面的抗剪强度 4.3.3 界面接触面积比 4.3.4 考虑颗粒流失的有效应力方程 4.3.5 颗粒流失过程中弹性模量的变化 4.4 考虑颗粒流失的流固耦合控制方程 4.4.1 平衡方程 4.4.2 渗流连续方程 4.4.3 基本控制方程 4.4.4 抗剪强度和破坏准则 4.5 案例验证 4.5.1 案例基本设置 4.5.2 案例计算的控制方程 4.5.3 结果与Biot理论对比 4.6 界面接触面积比的影响 4.7 结论 参考文献 第五章 基于应变软化预测模型的围岩破裂突水突泥流固耦合计算模型 5.1 引言 5.2 压应力-应变关系的应变软化模型（AESS） 5.2.1 基本假定 5.2.2 不同围压条件下的应力-应变关系概念模型 5.2.3 任意围压条件下的强度跌落系数 5.2.4 岩石强度跌落系数与围压的关系 5.2.5 任意围压条件下应变软化阶段的软化系数 5.2.6 应变软化系数和围压的关系 5.3 压应力-应变过程三阶段体积应变模型（ATVD模型） 5.3.1 基本假设 5.3.2 不同围压条件下体积应变概念模型 5.3.3 任意围压条件下的体积膨胀系数 5.3.4 膨胀系数与围压的关系 5.4 拉应力-应变关系的弹脆性模型 5.5 应力-应变过程中体积应变敏感的渗透率演化模型 5.5.1 压应力-应变过程中的渗透率演化 5.5.2 拉应力-应变过程中的渗透率演化 5.6 流固耦合方程和破坏准则 5.6.1 渗流-应力耦合方程 5.6.2 破坏准则 5.6.3 基于摩尔-库伦准则表示的应变软化关系 5.7 结论 参考文献 第六章 高水压溶洞对隧道围岩稳定性流固耦合分析 6.1 引言 6.2 PANDAS控制方程 6.2.1 耦合方程 6.2.2 虚拟速度方程 6.2.3 时间积分算法 6.2.4 时间步长控制 6.3 灰岩应力-应变过程中的渗透率演化 6.4 工程背景及齐岳山隧道计算模型 6.4.1 工程背景 6.4.2 计算模型 6.4.3 流固耦合相互作用结果分析 6.5 讨论 6.5.1 溶洞位置的影响 6.5.2 溶洞尺寸影响 6.5.3 隧道与溶洞间距离影响 6.6 结论 参考文献 第七章 结论和展望 7.1 结论 7.2 展望博士期间参与的科研项目博士期间发表的论文博士期间申请的专利博士期间获得的奖励致谢学位论文评阅及答辩情况表
文章来源
类型: 博士论文
作者: 林鹏
导师: 邬爱清,李术才,邢会林
关键词: 突水突泥,流固耦合模型,颗粒流失,应变软化模型,隧道模拟
来源: 山东大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 地质学,建筑科学与工程
单位: 山东大学
基金: 国家重点基础研究计划(973计划)“深长隧道突水突泥重大灾害致灾机理及预测预警与控制理论”(2013CB036000)
分类号: TU45
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标签：突水突泥论文; 流固耦合模型论文; 颗粒流失论文; 应变软化模型论文; 隧道模拟论文;
考虑颗粒流失与岩石破裂的突水突泥流固耦合计算模型与分析方法
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