软弱围岩既有隧道上方挖方与填方对承载拱效应影响研究

发布时间：2017-05-09 17:02

  本文关键词：软弱围岩既有隧道上方挖方与填方对承载拱效应影响研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来既有隧道上方挖、填方的近接工程大量涌现。在既有隧道上方挖方近接工程中,由于挖方可能导致围岩承载拱的破坏,会使得衬砌与围岩的受力发生改变。在既有隧道上方填方近接工程中,填方对于隧道来说是加载过程。围岩与衬砌共同承担荷载,但承担比例受多项因素影响,且在填方过程中的承载拱内变化机制尚不明确,导致填方引起衬砌内力变化难以预测。因此研究既有隧道上方挖、填方过程中隧道承载拱的变化是必要的。本文采用理论分析、离心模型试验和数值模拟的方法对既有隧道上方挖方对承载拱的破坏作用和填方过程中承载拱的形成和发展进行研究,同时运用应力准则和强度准则对既有隧道上方挖、填方近接施工影响进行分区。研究工作和主要成果如下：(1)以理论分析为基础,对隧道承载拱的概念进行解释,并对挖方过程中承载拱的破坏过程作出预测。在挖方起始阶段,衬砌内力和围岩压力下降；当挖方对承载拱产生破坏后,由于承载拱承载能力下降,导致承载拱承担的荷载向衬砌转移,致使围岩压力和衬砌内力随挖方减小过程中出现减缓段或反向增大段。针对既有隧道上方填方,以围岩特征曲线为基础,分析得出在深埋条件下,隧道承载拱刚度将随塑性区发展下降。推测在深埋条件下的填方工程,衬砌承担的围岩压力增量随隧道塑性变形量增大而增加。(2)离心试验得出：1)既有隧道上方挖方围岩压力及衬砌内力变化过程与理论预测一致,围岩压力、衬砌轴力在减小过程中分别出现斜率减缓段、反向增大段。在定义了地应力承担比的基础上,以地应力承担比作为离心试验承载拱变范围判断的主要依据,得出了柔性支护条件下的承载拱范围为1.0-1.5D,刚性支护条件下承载拱范围为2.0-2.5D。2)既有隧道上方填方的围岩压力及衬砌内力变化随填方呈近线性增加,根据拱顶地应力承担比变化反映出填方过程中承载拱的发展。因衬砌对围岩变形的限制,导致承载拱塑性区发展较少,围岩压力无法得到有效释放。在填方过程边墙及墙脚发生应力集中,刚性支护与柔性支护边墙处承担比分别增加了0.6、0.46。(3)数值模拟得出：1)建立圆形隧道模型计算,对离心试验规律进行对比验证。2)以高速铁路隧道断面进行建模计算,得出Ⅴ级、Ⅵ级、黄土地层的隧道上方挖、填方过程中围岩压力、地应力承担比、内力变化规律。并定义附加地应力承担比进而揭示了承载拱随填方过程的变化规律。(4)针对挖方和填方过程分别选取应力准则和强度准则进行近接分区,并根据分区结果进行回归分析,得到了分区与初始埋深变化的数学关系。
【关键词】：既有隧道 挖方 填方 承载拱 地应力承担比(CSBR) 附加地应力承担比(CSBRa)
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 选题背景及意义12-14
• 1.2 国内外研究现状14-16
• 1.2.1 既有隧道上方挖方研究现状14-15
• 1.2.2 既有隧道上方填方研究现状15-16
• 1.3 本文研究方法16-17
• 1.4 技术路线17-18
• 第2章 既有隧道上方挖、填方理论研究18-28
• 2.1 既有隧道工程上方挖、填方一般力学原理研究18-26
• 2.1.1 隧道开挖后的应力重分布18-19
• 2.1.2 隧道开挖后弹性条件下的二次应力状态19-20
• 2.1.3 隧道开挖后形成塑性区的二次应力状态20-21
• 2.1.4 开挖后有支护的三次应力状态21-24
• 2.1.5 既有隧道上方挖方分析24-25
• 2.1.6 既有隧道上方填方分析25-26
• 2.2 隧道承载拱效应主要影响因素26-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第3章 离心模型试验28-55
• 3.1 离心试验方法介绍28-36
• 3.1.1 概述28
• 3.1.2 土工离心模型试验方法的发展28-29
• 3.1.3 土工离心模型试验原理29-36
• 3.2 既有隧道上方挖、填方离心试验方案36-47
• 3.2.1 试验设备37-39
• 3.2.2 离心试验设计39-44
• 3.2.3 离心试验过程44-47
• 3.3 试验结果分析47-54
• 3.3.1 挖方结果分析47-51
• 3.3.2 填方结果分析51-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第4章 既有隧道上方挖、填方数值模拟55-74
• 4.1 离心试验与数值模拟对比分析55-61
• 4.1.1 数值模拟模型介绍55-57
• 4.1.2 既有隧道上方挖方结果分析57-60
• 4.1.3 既有隧道上方填方结果分析60-61
• 4.2 基于高速铁路隧道断面的数值模拟61-64
• 4.3 挖方数值模拟结果分析64-68
• 4.3.1 围岩压力结果分析64-65
• 4.3.2 地应力承担比65-67
• 4.3.3 内力结果分析67-68
• 4.4 填方数值模拟结果分析68-72
• 4.4.1 围岩压力结果分析68-69
• 4.4.2 附加地应力承担比分析69-71
• 4.4.3 内力结果分析71-72
• 4.5 本章小结72-74
• 第5章 既有隧道上方挖、填方近接分区74-83
• 5.1 影响分区标准74-76
• 5.1.1 近接施工的分区准则74
• 5.1.2 挖方分区准则74-75
• 5.1.3 填方分区准则75-76
• 5.2 挖方影响分区76-78
• 5.3 填方影响分区78-81
• 5.4 挖、填方近接既有隧道施工对策81-82
• 5.5 本章小结82-83
• 结论与展望83-85
• 结论83-84
• 进一步研究展望84-85
• 致谢85-86
• 参考文献86-90
• 攻读学位期间发表的学术论文90

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