高地温水工隧洞稳定性与复合支护结构工程应用

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 工程背景与研究意义 1
1.2 研究现状 3
1.3 本书主要内容 9
参考文献 12
第一篇 高地温水工隧洞热力学参数变化及其影响
第2章 高地温水工隧洞围岩与喷层结构热力学参数敏感性分析 19
2.1 概述 19
2.2 围岩与喷层结构热力学参数敏感性分析 20
2.2.1 工程概况 20
2.2.2 敏感性分析方法 20
2.2.3 参与敏感性分析的参数及分析方案 23
2.3 线膨胀系数敏感性分析 23
2.3.1 围岩线膨胀系数敏感性分析 24
2.3.2 喷层线膨胀系数敏感性分析 25
2.4 导热系数敏感性分析 27
2.4.1 围岩导热系数的敏感性分析 27
2.4.2 喷层导热系数的敏感性分析 30
2.5 比热容敏感性分析 32
2.5.1 围岩比热容敏感性分析 32
2.5.2 喷层比热容敏感性分析 35
2.6 对流系数敏感性变化分析 36
2.6.1 温度敏感性变化分析 36
2.6.2 应力敏感性变化分析 37
2.7 各参数的敏感性比较 38
2.8 本章小结 39
参考文献 40
第3章 高地温对围岩力学参数及隧洞喷层温度和应力的影响 41
3.1 概述 41
3.2 高地温对围岩力学参数的影响 42
3.3 高地温对围岩喷层温度和应力的影响 45
3.4 本章小结 48
参考文献 48
第4章 基于围岩泊松比变化的高地温水工隧洞受力特性分析 50
4.1 概述 50
4.2 温度–应力耦合作用下的弹性受力分析 51
4.2.1 弹性荷载应力分析 51
4.2.2 弹性温度应力分析 52
4.2.3 温度–应力耦合弹性总应力分析 54
4.3 温度–应力耦合作用下的弹性力学特性 54
4.3.1 物理力学参数的选取 54
4.3.2 温度应力计算参数的选取 55
4.3.3 围岩泊松比变化条件下隧洞受力特性 56
4.4 围岩泊松比变化条件下温度–应力耦合数值模拟 59
4.4.1 模型选取 59
4.4.2 数值模拟结果及分析 60
4.4.3 围岩泊松比变化对围岩力学特性的影响 62
4.5 本章小结 63
参考文献 64
第二篇 高地温水工隧洞力学特性及其塑性区演化特征
第5章 高地温水工隧洞围岩与支护结构温度场演化机制 67
5.1 概述 67
5.2 温度场研究的主要方案及其研究方法 68
5.3 高地温水工隧洞不同工况下三维温度场数值模拟 72
5.3.1 模型构建及网格划分 72
5.3.2 高地温隧洞温度场有限元计算 74
5.4 高地温水工隧洞不同开挖方式温度场特征 78
5.4.1 隧洞模型构建及网格划分 78
5.4.2 不同开挖方式下高地温隧洞温度场模拟 79
5.5 高地温水工隧洞全生命周期温度场规律 82
5.5.1 全生命周期的定义与计算方法 82
5.5.2 数值模拟模型 83
5.5.3 温度场数值模拟结果 84
5.6 本章小结 88
参考文献 88
第6章 高地温水工隧洞围岩热--力耦合数值模拟 90
6.1 概述 90
6.2 热–力耦合数值模拟及相关参数 90
6.2.1 工程概况 90
6.2.2 与温度有关的围岩物理力学参数取值 91
6.2.3 数值计算模型及边界条件 91
6.2.4 热–力耦合作用下的围岩合理计算范围确定 92
6.3 热–力耦合数值模拟计算 94
6.3.1 隧洞围岩温度场分析 95
6.3.2 围岩计算应力与位移在两种耦合机制下的比较分析 96
6.3.3 温度、结构应力 (位移) 与耦合应力 (位移) 之间的关系 97
6.3.4 常温与高温情况下围岩计算应力和位移的对比分析 97
6.4 本章小结 100
参考文献 100
第7章 高地温作用下岩石损伤演化本构模型及耦合数值模拟 101
7.1 概述 101
7.2 岩石损伤基础 102
7.2.1 岩石损伤基本理论 102
7.2.2 岩石破坏损伤基础 103
7.3 荷载单独作用下的岩石损伤演化及本构方程 105
7.3.1 岩石损伤演化方程 105
7.3.2 岩石损伤本构模型 108
7.3.3 模型验证 110
7.3.4 模型参数确定 112
7.3.5 模型参数物理意义探讨 114
7.4 高温诱发岩石损伤演化及本构方程 115
7.4.1 应变软化本构方程 115
7.4.2 参数确定及模型验证 117
7.4.3 受损机制分析 119
7.5 基于损伤应变软化模型的水工隧洞热–力耦合数值模拟 120
7.5.1 ABAQUS 用户材料子程序 121
7.5.2 岩石损伤应变软化本构模型的 UMAT 实现 122
7.5.3 水工隧洞热–力耦合实例分析 125
7.6 不同条件下高温水工隧洞受力变形特性 131
7.6.1 不同温度边界 132
7.6.2 不同埋深 133
7.6.3 不同侧压力系数 135
7.7 本章小结 136
参考文献 137
第8章 高地温水工隧洞温度效应及其施工优化 140
8.1 概述 140
8.2 不同开挖方式下高地温水工隧洞温度–应力场耦合数值模拟 140
8.2.1 全断面开挖方式下温度–应力耦合数值模拟结果 140
8.2.2 分层开挖方式下温度–应力耦合数值模拟结果 143
8.2.3 温度–应力耦合数值模拟结果分析 145
8.3 高地温水工隧洞全生命周期温度–应力耦合数值模拟 146
8.3.1 应力场数值模拟结果 146
8.3.2 塑性区数值模拟结果 150
8.4 高地温水工隧洞温度效应 151
8.4.1 温度效应分析 151
8.4.2 温度效应机制 152
8.5 本章小结 152
参考文献 153
第9章 高地温水工隧洞开挖损伤区特征及分布规律研究 154
9.1 概述 154
9.2 高地温水工隧洞开挖损伤区现场监测分析 155
9.2.1 工程现场监测方案 155
9.2.2 现场监测数据分析 156
9.3 高地温水工隧洞开挖损伤区分布规律分析 159
9.3.1 模型参数的选取 160
9.3.2 现场监测与数值模拟成果分析 161
9.3.3 高地温岩体塑性区数值模拟成果分析 163
9.3.4 高地温对岩体塑性区影响性分析 164
9.4 围岩衬砌受力特性时间分布规律 164
9.4.1 模型及参数选取 165
9.4.2 围岩及衬砌受力特性时间分布规律 167
9.4.3 位移时间分布规律 171
9.4.4 塑性应变时间分布规律 173
9.5 围岩及衬砌结构力学特性的空间分布规律 175
9.5.1 最大主应力空间分布规律 175
9.5.2 位移空间分布规律 177
9.5.3 塑性应变时间分布规律 178
9.6 水工隧洞围岩及衬砌受力特性的温度效应 179
9.7 本章小结 181
参考文献 182
第三篇 高地温水工隧洞支护结构设计及其工程实践
第10章 高地温水工隧洞喷层结构承载特性分析 185
10.1 概述 185
10.2 高地温隧洞喷层结构承载特性 186
10.2.1 喷层结构承载特性分析模型 186
10.2.2 喷层结构热应力计算 188
10.3 高地温水工隧洞喷层结构承载特性实例分析 190
10.3.1 工程概况及参数选择 190
10.3.2 结果分析 191
10.4 高地温水工隧洞喷层结构承载特性数值模拟 193
10.4.1 数值模拟建立 193
10.4.2 数值模拟结果分析 194
10.5 喷层结构承载特性影响因素分析 195
10.5.1 线膨胀系数对围岩喷层结构受力的影响 195
10.5.2 温差对围岩喷层结构受力的影响 198
10.5.3 地应力水平侧压力系数对围岩喷层结构受力的影响 201
10.5.4 喷层厚度对围岩喷层结构受力的影响 202
10.6 本章小结 204
参考文献 205
第11章 高地温水工隧洞喷层结构施工期等效龄期强度分析 206
11.1 概述 206
11.2 等效龄期的概念 206
11.3 高地温水工隧洞喷层结构施工期等效龄期强度数值模拟 208
11.3.1 有限元数值模型及其材料参数 208
11.3.2 喷层的温度历程 209
11.3.3 喷层结构的应力分析 210
11.3.4 喷层结构的应变分析 212
11.3.5 与实测数据对比分析 213
11.4 本章小结 213
参考文献 214
第12章 高地温水工隧洞复合支护结构温度力学特性耦合分析 215
12.1 概述 215
12.2 高地温水工隧洞复合支护结构现场监测 216
12.2.1 现场监测试验方案 216
12.2.2 现场监测温度成果分析 218
12.2.3 现场监测应力成果分析 221
12.3 高地温水工隧洞复合支护结构温度–应力耦合数值模拟 221
12.3.1 数值模拟基础理论 221
12.3.2 仿真模拟温度成果分析 224
12.3.3 仿真模拟应力成果分析 225
12.4 现场监测与数值模拟对比分析 227
12.4.1 温度变化对比分析 227
12.4.2 应力变化对比分析 228
12.5 本章小结 228
参考文献 229
第13章 高地温水工隧洞复合支护结构适应性评价及优化设计 231
13.1 概述 231
13.2 高地温水工隧洞复合支护结构施工期瞬态仿真数值模拟 232
13.2.1 复合支护结构模型构建及参数选择 232
13.2.2 温度全过程分析 233
13.2.3 位移全过程分析 236
13.2.4 应力特征全过程分析 241
13.2.5 塑性区全过程分析 244
13.3 高地温水工隧洞复合支护结构适应性评价 246
13.4 复合支护结构厚度优化设计 247
13.4.1 喷层厚度优化设计 248
13.4.2 隔热层厚度优化设计 251
13.4.3 二次衬砌结构厚度优化设计 251
13.5 复合支护结构最优设计方案 254
13.5.1 应力特征对比分析 255
13.5.2 位移特征对比分析 256
13.5.3 塑性