1、摘要 I 硕 士 学 位 论 文 隧道开挖松动圈 渐进破坏过程研究 摘要 II 摘要 近些年来，我国城市轨道交通 系统 进入迅猛发展时期， 目前 有 十九 个城市 已经建成轨道 交通 工程，还有十多个城市 正 在 建 设 中 。 地铁隧道 的长期变形问题也受到 了越来越多的关注。 岩土体的蠕变现象是隧道破坏的主要因素之一， 蠕变 机理的研究 以及 蠕 变 过程 的数值模拟 也成为 当前 研究 的 热点 。 所以 在考虑蠕变特性的基础上，分析 地铁隧道 在 开挖扰动应力场 的长期变形特性有着非常重要的意义。本文以常州地铁隧道下穿地下人防工程为背景， 采用蠕变模型的有限元数值分析的方法对工程中的长
2、期变形规律进行了研究。 研究内容包括以下几点： 1） 采用 不同蠕变本构模型的蠕变预测误差研究。 隧道开挖过程中， 扰动区 及掌子面的不同部位的 应力状态 类型 各 不 相 同 。 常规 数值 模拟时 ， 常采用与一种应力状态 类型 匹配的 D-P 屈服准则来 模拟其它 的应变状态 类型必将 产生误差 ， 建立了预测 该 蠕变误差修正经验公式， 可 更准确的指导设计施工。 2） 隧道开挖扰动区 蠕变变形规律研究。 采用 D-P 屈服准则耦合时间硬化率蠕变模型研究了 不同埋深、 不同 直径 以及 隧道 穿越人防工程时 隧道围岩 蠕变 变形规律 ，弥补 了 弹塑性分析的不足 。 3） 考虑蠕变条件
3、下，盾构隧道纵向差异沉降规律研究。 隧道 长期变形 的 纵向差异 过大会使衬砌 结构产生额外应力， 是隧道衬砌开裂破坏的主要影响因素。采用 D-P 屈服准则耦合时间硬化率蠕变模型 可以有效模拟隧道纵向差异沉降以及对上部人防工程的变形影响规律 ， 可为今后隧道长期 变形 的预测计算提供一种全新的思路。 关键词： 蠕变 、 地铁隧道 、 ABAQUS、 D-P 屈服准则 、时间硬化率 ABSTRACT III ABSTRACT In recent years, Urban rail transit system in China has entered the rapid development
4、period, there are 19 cities have built the rail traffic engineering, as well as more than a dozen cities are constructing. The long-term deformation of subway tunnel has also attracted more and more attention. The creep behavior is one of the main factors to damage tunnel, therefore the creep mechan
5、ism and creep process simulation has become a hotspot of current research. So analysis of subway tunnel excavation disturbed stress field of the long-term deformation characteristic is very important considering the creep characteristics. In this paper, Changzhou subway tunnel cross through undergro
6、und engineering is taken as the background, and the finite element analysis method based on creep model is used to study the law of long-term deformation of the project. Research contents include the following: (1) Study on the error of forecasting creep strain of different creep constitutive model.
7、 In the process of tunnel excavation, the stress state types of different part of tunnel disturbance area and tunnel face is quite different. Conventional numerical simulation often used Drucker-Prager yield criterion match one type of stress state to simulate and forecast the strain of others type
8、of stress state and result in error. Empirical formula was established to modified the error to guide the design and construction more accurate. (2) Study on shield tunnel creep deformation law of free face of tunnel disturbance area. Drucker-Prager yield criterion couple time hardening model is use
9、d to study creep deformation law of the surrounding rock in different buried depth, different diameter and cross through underground engineering, make up the elastoplastic analysis problem. (3) Study on the longitudinal differences of shield tunnel settlement considering the creep behavior. Too larg
10、e longitudinal differences of shield tunnel long-term deformation will cause extra lining stress which is the main factor of the damage of lining cracks. Longitudinal differences of shield tunnel long-term settlement crossing the different property surrounding rock and the underground engineering ar
11、e analyzed. ABSTRACT IV Drucker-Prager yield criterion couple time hardening model is used to stimulate longitudinal differences of shield tunnel settlement and the effect of underground engineering deformation law effective. Bring a new ideas for forecast long-term tunnel longitudinal differential
12、deformation in the future. Key words: creep, subway tunnel, ABAQUS, D-P yield criterion, time hardening I 目录 摘要 . II ABSTRACT. III 目录 . I 第一章 绪论 .1 1.1 研究背景及意义 .1 1.1.1 研究背景 .1 1.1.2 研究意义 .2 1.2 研究现状 .3 1.2.1 岩土体蠕变研究现状 .3 1.2.2 蠕变实验研究现状 .9 1.2.3 隧道不同支护下对蠕变控制的研究现状 . 11 1.3 问题的提出 . 11 1.4 研究内容及技术路线 .
13、12 1.4.1 研究内容 . 12 1.4.2 技术路线 . 12 第二章 D-P 屈服准则耦合时间硬化率蠕变模型 . 15 2.1 M-C 准则 . 15 2.2 D-P 准则 . 16 2.3 修正的 D-P 模型 . 17 2.3.1 线性 D-P 屈服模型 . 17 2.3.2 D-P 硬化准则 . 19 2.4 D-P 屈服准则耦合时间硬化率蠕变本构模型 . 20 2.4.1 D-P 系列屈服准则及其应力状态 . 21 2.4.2 时间硬化率蠕变模型 . 24 2.5 本章小结 . 25 第三章 D-P 屈服准则耦合时间硬化率蠕变模型的应用研究 . 27 3.1 不同应力状态类型下
14、蠕变模拟误差分析方法 . 27 3.1.1 屈服准则 . 28 3.1.2 硬化规律 . 29 3.1.3 时间硬化率的蠕变模型参数 的确定 . 30 3.1.4 模型验证 . 31 3.2 不同应力状态类型的蠕变变形模拟分析 . 33 3.2.1 不同屈服准则对瞬时弹塑性应变的影响 . 36 3.2.2 不同屈服准则对蠕变的影响 . 40 3.2.3 不同屈服准则对总应变的影响 . 43 3.3 本章小结 . 47 第四章 隧道下穿人防工程蠕变变形规律研究 . 49 4.1 工程概述 . 49 4.2 基于 D-P 屈服准则耦合时间硬化率蠕变模型 . 49 4.2.1 应用 ABAQUS/C
15、AE 创建模型 . 50 4.2.2 后处理 -显示及输出计算结果 . 52 4.3 无支护隧道下穿无人防工程岩土体蠕变变形研究 . 53 II 4.3.1 应变分析 . 55 4.3.2 围岩边界位移分析 . 61 4.4 隧道下穿人防工程的相 互影响研究 . 61 4.4.1 无支护隧道下穿人防工程相互影响规律研究 . 61 4.4.2 有支护隧道下穿人防工程变形研究 . 79 4.5 土层参数对隧道蠕变规律的敏感性分析 . 95 4.6 D-P 准则匹配误差分析 . 101 4.7 本章小结 . 102 第五章 总结与展望 . 105 5.1 总结 . 105 5.2 展望 . 106
16、参考文献 . 107 致谢 . 111 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 为了解决当时伦敦的交通堵塞问题修建的 “伦敦大都会铁路 ”在 1863 年开通运营，这是 世界上首条地下铁路系统。我国第一条地铁线路始建于 1965 年 7 月 1 日，1969 年 10 月 1 日建成通车，这也使北京成为中国第一个拥有地铁的城市。对于我国而言，轨道交通建设的发展目前正处在关键时期， 城市轨道交通大多是在人口密集 的 繁华城市进行的一项投资大、建设期长、技术复杂的地下建设 工程项目。近些年来，我国城市轨道交通建设进入迅猛发展时期，目前已有 北京、上海、南京、广
17、州等十 九 个城市地 铁线路已经投入运营， 还有十多个城市 正 在 建设轨道 中 。在地铁建设施工阶段，采用明挖、暗挖、盾构等施工方法和辅助工法进行基坑或区间隧道开挖时， 地面 易发生不均匀沉降、塌陷或隆起 。对围岩 的 长期观察 和 监测 表明 ， 在 成洞之初的 围岩变形 并不威胁工程安全。但是 在 经过 相当长的一段时间 以后 ， 由于 围岩变形随时间不断发展 即渐进性变形 ， 围岩体可能会 因此 发生失稳或坍塌破坏。 渐进性变形 是岩 土 的基本力学 特征 ， 许多人工边坡和自然斜坡破坏失稳 、 岩体工程失效或破坏 ，都与岩土体的渐进性 变形有关 。 渐进性破坏概念最早由太沙基在 19
18、36 年研究土坡稳定性时提出，他把土体由初始状态向塑性流动过渡的期间状态称为渐进破坏。应该说这种概念的提出最早辩证的揭示了土体变形与失稳的关系，即土体失稳是土体变形到某一特殊阶段的必然结果。直到 20 世纪 6070 年代后，人们才较为深入地研究了渐进性破坏的问题 1-5 。 沈珠江院士认为土体渐进破坏理论是用来描述荷载增加状态下土体真实的破坏过程的理论。隧道工程作为一种特殊的工程结构体系，隧道一旦在地层中被开挖，地层中的初始应力便会被打破并自我进行调整，应力的释放与调整的过程必将导致隧道围岩的变形 6。王志伟 7认为引起 隧道 渐进破坏的原因有：应力和应变的不均匀分布；发生应变软化；应力的释
19、放；出现裂缝以及在水作用下的岩土体软化；土体出现节理或不连续的结构面；孔隙水压力的增长；环境的影响。 相比土体而言，岩体中还存在节理、裂隙等不连续面 ，其渐进破坏过程更为河海大学硕士学位论文 2 复杂。组成岩 体 的 岩石是密集的自然地质体，经历了漫长的地质构造作用，岩石内部存在很大的地应力，而土是固体、气体、液体以及松散颗粒的集合体。在一定的荷载作用下，岩石内部裂隙的产生、扩展以及汇合导致了岩石的破坏。岩石的破坏是岩石中存在于矿物颗粒之间或 颗粒内部的微裂隙等缺陷不断发展的结果，新裂隙的产生及原始裂隙的扩展是一个随着时间的推移渐进性发生的过程，以至于岩石的屈服通常在应力应变方面表现为从线性到
20、非线性的逐渐过渡 8。大量隧道工程经验与试验结果表明，岩体的失稳破坏是一个渐进性的破坏过程，岩体材料的应变软化现象以及同时发生的岩体强度的降低被认为是隧道围岩渐进破坏的主要原因之一。 1.1.2 研究意义 地铁隧 道工程 其服务年限都在几十年甚至上百年的时间，因此， 地铁隧道项目 不仅要考虑施工期间的安全，而且要考虑在运营期间的安全，即在投入运营之后，是否会随着时间的增长而发生破裂、失稳。随着我国经济建设的快速发展，地铁隧道 项目不仅越来越多，工程开挖的规模也越来越大 ，而且 周边环境越来越复杂 ，由此而引出的围岩 长期 稳定性问题也就日益突显出来。为了保证工程施工、运营的安全性和经济上的合理
21、性，不仅需要深入了解 围岩 变形过程中的应力、应变关系，还需要对于岩 土 体 的渐进性破坏规律引起足够的重视。 因此 以常州地铁隧道下穿地下人防工程为背景，通过基于 Drucker-Prager 系列 屈服准则耦合时间硬化率蠕变模型 进行渐进性蠕变过程研究具有重要的实际意义，而且对地铁隧道塌方事故的预防及治理有着重要的理论价值及实际工程意义。 1） 分析常规数值模拟时常采用与一种应力状态 类型 匹配的 D-P 屈服准则来模拟预测整个模型的 其他类型 应变状态 必将产生 误差， 修正其误差可 以更精确的指导设计施工。 2） 掌握隧道弹塑性以及蠕变变形的规律，能够为工程建设提供更为经济的技术方案；
22、还能够预防工程事故的突发，为城市轨道的下穿人防工程 设计施工 提供准确参考。 3） 为解决考虑土体蠕变条件下，盾构隧道纵向差异变形 规律 提供 一种全新的思路。 第一章 绪论 3 1.2 研究现状 1.2.1 岩土体 蠕变研究现状 1.2.1.1 岩石的蠕变 就隧道工程而言，隧道围岩净空 收敛的具体表现是 隧道侧墙 向内 缓慢 移动，底板 逐渐 隆起， 拱顶出现 开裂，而且这个过程 是 随着时间的推移 渐进性 发展的。工程 中 常 把这种 现象 称作蠕 变 。 9-12 很多隧道开始都很完好，可是经过多年以后发现开裂，岩石 蠕 变对隧道长期使用安全有着巨大的影响。 岩石蠕变特性 是岩石的基本力
23、学特性 之一， 许多 岩体工程失稳 或 者 破坏，都与 岩石的蠕变 变形有关。在岩体中开挖隧道时， 隧道 围岩的变形常随时间 发生增长，所以 在对 隧道工程 围岩的变形及其 安全 稳定性分析时 ，有必要考虑时间因素的影响。陈宗基 12提出了在进行稳定性分析时，应根据时间t 包络线来校对。王芝银 13等通过大量蠕变实验表明，对于硬岩和中硬岩，当岩石承受的 应力小于 其 长期强度值时，岩石处于 粘 弹性状态，具有 衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段，但稳定蠕变阶段 应变速率恒为零，蠕变变形最终趋于稳定值，属稳定蠕变变形。高赛红 14认为 岩石的 长期强度 值是 岩石的固有属性 ， 是岩石由稳定蠕变 到 不
24、稳定蠕变过渡 一个阈值。 在应力增大到超过 这个阈值 后 ， 岩石的蠕变表现为 开始 稳定 蠕变、转而 加速 蠕变 的蠕变 过程， 其前期稳定蠕变中的衰减蠕变阶段明显缩短 ， 并随应力的增加而趋于 零 。当应力稍高于长期强度时 ,岩石将在相当长的时间内处于 稳定 蠕变阶段；当应力接近于极限强度时 ，几乎直接进入 加速蠕变过程 ，稳定蠕变过程较短 ； 但这 两种蠕变形式都会 最终 导致岩石的破坏。 1.2.1.2 岩体的蠕变 在 工程地质 中，把工程作用范围内具有一定的岩石成分、结构特征及赋存于某种地质环境中的地质体称为岩体。焦春茂 15认为岩体这种复杂 的 材料在水和风化等因素作用下，随 着
25、时间 其某些力学参数 变化是 很明显的。 非定常参数 被引入来 描述岩体材料的 损伤 过程，即损伤演化过程， 编写 了相应的计算平面问题的有限元程序，基于非定常流变模型 对某实际工程做了 位移反分析。 对于国内外学者的研究 岩石蠕变 主要集中在 以下几方面： 河海大学硕士学位论文 4 l)蠕变 ： 在 应力 保持稳定持续作用下， 变形 随时间增长的过程。 2)应力松弛 ： 在 保持一稳定 应变水平条件下，岩体应力随时间 持续 衰减变化的过程。 3)长期强度： 随时间的推移，岩土强度持续且有限的降低，并逐渐趋近于一个稳定收敛的低限定值。 4)粘滞效应 ： 加荷时继瞬间发生的弹性变形之后，仍有部分
26、后续的粘性变形 随时间增长 。 在加荷 的 过程 中，变形也会随着 时间的增长 ，这种 现象被 称为滞后效应；而在卸荷过程之后其变形随时间的逐渐恢复 的现象被称 为弹性后效。 二者都属于该岩体的粘性特征， 统称为粘滞效应 。 1.2.1.3 土体的蠕变 土是由固态、液态和气态三相物质组成的多孔介质。土中的液态和气态物质可以在外力的作用下被挤出，导致土颗粒重新排列使土骨架产生变形，但由于土颗粒之间的摩擦力以及土颗粒表面的结合水的作用，使土体的变形需要一定的时间，即土体的流变性。 土的蠕变是指在应力 稳定性的情况 下 ， 变形随时间增长的现象。土体的蠕变受到土体种类、土体的固结 程度等方面的影响，
27、土体蠕变同样也分为三个阶段 :衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段。土体的蠕变在一定的工程地质条件下会引起地质灾害的发生 :建筑物的长期变形、边坡失稳、地面沉降等等。因此，土体蠕变的研究一直受 到 学者 们 的 广泛的 重视 16。描述土体蠕变特性的理论有流变模型理论、遗传流变理论、老化理论、硬化理论、流动理论、工程比拟法等。 12, 17 杨忠良 18认为影响土流变性质的因素有以下几种： 1） 应力大小的影响 2） 围压的影响 在三轴应力状态 下 ， 差 应力决定 蠕变应变 。当 存在较小的差 应力时， 只 出现衰减 阶段和稳定 蠕变阶段。当 存在较大差 应力时， 则会 出现衰减 蠕变阶段 、 稳定蠕变阶段 和加速蠕变阶段。当 存在过大的差 应力时，没有 经 历稳定蠕变 阶段， 直接进入加速蠕变阶段进而发生 破坏。 3） 物质组成的影响
