土质隧道开挖诱发围岩应力与变形解析研究

发布时间：2017-06-22 23:04

  本文关键词：土质隧道开挖诱发围岩应力与变形解析研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：围岩压力的性质、大小与分布规律是合理进行隧道支护、结构设计和选择施工方案的重要依据。在保证围岩稳定的同时又允许其有一定程度的变形,使围岩内部应力得到调整从而发挥其自承载能力,进而减小衬砌结构的厚度。本文针对土质隧道开挖过程中围岩变形与围岩压力问题,利用解析分析与数值仿真方法进行了研究,取得如下主要研究成果:1)基于圆形隧道开挖围岩土体力学分析模型,利用应力函数法,获得了考虑围岩支护压力、围岩土体物理力学参数与隧道几何参数影响的围岩应力和位移解析解。围岩拱顶处径向应力沿深度会出现极小值点,该极值点与洞顶之间为释放应力的主要分布区域,即开挖扰动区。给出了不同支护压力下洞顶处开挖扰动区的边界,曲线表明随着支护压力的增大,围岩开挖扰动区减小。2)基于围岩位移解析解,获得了地表沉降槽解析公式。利用解析表达式获得了隧道内壁的支护压力、围岩土体物理力学参数与隧道几何参数对地表中心点和地表沉降槽范围的影响规律。联合隧道围岩应力解析解与Mohr-Coulomb强度准则,获得了考虑塑性应力重分布影响的塑性区边界解析解。提出了临塑支护压力的概念,即当塑性区边界为开挖面时,对应的均布内支撑力,并给出了临塑支护压力的解析表达式。利用塑性区解析解获得了隧道内壁的支护压力、围岩土体物理力学参数与隧道几何参数对塑性区边界大小与分布的影响规律,并与Kastner解进行了对比分析。3)利用土质隧道开挖地层变形的模型试验结果,分析评价了隧道开挖数值仿真模型,对比结果表明,基于土的应力路径本构关系建立的隧道开挖数值仿真模型,较好地模拟了土质隧道开挖模型试验的地层变形规律。基于数值方法,采用土的应力路径本构模型进行不同隧道埋深、隧道半径的数值分析。数值结果表明,当隧道洞顶处埋深与隧道半径之比大于7倍时,隧道无支护稳定状态洞顶竖向位移值与隧道埋深无关,与隧道半径和围岩土体力学参数有关。4)利用弹性理论和数值仿真模型相结合的方法,得到了隧道无支护稳定状态拱顶处竖向位移表达式。联合隧道围岩应力解析解与Mohr-Coulomb强度准则获得了围岩弹性、弹塑性变形的拐点,基于数值方法对拐点进行参数修正,获得了围岩变形压力公式,公式可为隧道开挖系统方案的制定、技术措施的实施提供科学支撑。
【关键词】：土质隧道 围岩变形压力 临塑支护压力 开挖扰动区 围岩塑性区
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 选题背景及研究意义9-11
• 1.2 国内外研究现状及分析11-20
• 1.2.1 围岩变形压力的研究方法与现状11-18
• 1.2.2 围岩塑性区研究方法与现状18-20
• 1.3 论文的主要工作和创新点20
• 1.4 本章小结20-21
• 第2章 围岩应力和变形的弹性解析21-43
• 2.1 围岩应力和位移解析解21-27
• 2.1.1 围岩分析力学模型21-25
• 2.1.2 围岩应力和位移的解析解25-27
• 2.2 围岩应力的解析分析27-32
• 2.2.1 围岩应力的分析27-30
• 2.2.2 围岩扰动区30-32
• 2.3 围岩位移的解析分析32-41
• 2.3.1 围岩位移的分析33-35
• 2.3.2 地表沉降槽的分析35-41
• 2.4 本章小结41-43
• 第3章 隧道围岩塑性区解析分析43-67
• 3.1 隧道围岩塑性区43-48
• 3.1.1 Mohr-Coulomb强度准则43-44
• 3.1.2 临塑内支撑力44-47
• 3.1.3 围岩塑性区解析解47-48
• 3.2 围岩塑性区影响因素分析48-53
• 3.2.1 内支撑力影响48-49
• 3.2.2 围岩土体物理力学参数的影响49-52
• 3.2.3 隧道几何参数的影响52-53
• 3.3 考虑塑性重分布的隧道围岩塑性区53-55
• 3.3.1 塑性重分布区的围岩应力53
• 3.3.2 考虑塑性重分布的隧道围岩塑性区53-55
• 3.4 考虑塑性重分布的隧道围岩塑性区影响因素分析55-60
• 3.4.1 内支撑力影响55-56
• 3.4.2 围岩土体物理力学参数的影响56-59
• 3.4.3 隧道几何参数的影响59-60
• 3.5 算例分析60-65
• 3.5.1 隧道开挖有限元模型60-61
• 3.5.2 围岩土体物理力学参数的影响61-63
• 3.5.3 隧道几何参数的影响63-65
• 3.6 本章小结65-67
• 第4章 土质隧道围岩变形压力研究67-93
• 4.1 隧道开挖过程数值模型的建立67-73
• 4.1.1 隧道开挖的核心科学问题67-69
• 4.1.2 土的应力路径本构模型69-73
• 4.1.3 隧道开挖过程数值模拟73
• 4.2 隧道无支护稳定状态位移73-78
• 4.2.1 不同埋深下隧道无支护稳定状态位移73-75
• 4.2.2 不同半径下隧道无支护稳定状态位移75-76
• 4.2.3 不同等向压缩指数下隧道无支护稳定状态位移76-78
• 4.3 隧道围岩无支护稳定状态位移公式78-82
• 4.3.1 弹性理论位移公式78-80
• 4.3.2 考虑等向压缩指数的位移公式80-82
• 4.4 隧道围岩变形压力82-90
• 4.4.1 弹性变形阶段83-85
• 4.4.2 弹塑性变形阶段85
• 4.4.3 基于数值方法的围岩变形压力85-90
• 4.5 本章小结90-93
• 结论与展望93-95
• 参考文献95-101
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文101-103
• 致谢103

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈先国,高波;地铁近距离平行隧道有限元数值模拟[J];岩石力学与工程学报;2002年09期

2 M.Voerckel,M.Peters;掘进机隧道开挖的最新技术与未来发展[J];建筑机械;2002年05期

3 王旭光;隧道纵向裂缝成因分析及控制措施[J];铁道建筑;2003年08期

4 郝建国,张永阔;岩坑尖隧道开挖控制测量技术[J];山西交通科技;2003年S1期

5 张云军;宰金珉;王旭东;常银生;戚科骏;;隧道开挖对临近桩基影响的二维数值分析[J];地下空间与工程学报;2005年06期

6 泽楷;;不屈的隧道工向吉林[J];中华建设;2007年01期

7 赵文政;;老山隧道原生态建设综述[J];公路交通科技(应用技术版);2007年04期

8 蒯行成;刘伟纲;任毕乔;官邑;;初应力法模拟隧道开挖过程的有限元原理及列式[J];中南公路工程;2007年02期

9 吉小明;王宇会;阳志元;;隧道开挖问题中的流固耦合模型及数值模拟[J];岩土力学;2007年S1期

10 付慧;;如何在隧道开挖时防止坍塌[J];职业技术;2007年18期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 陈卓然;何泰源;孙福胜;赵基盛;;岩栓加固对隧道开挖的影响[A];海峡两岸土力学及基础工程地工技术学术研讨会论文集[C];1994年

2 庄文任;;选用隧道开挖法之考虑因素表[A];中国土木工程学会隧道及地下工程学会第七届年会暨北京西单地铁车站工程学术讨论会论文集（上）[C];1992年

3 张振刚;齐国红;;隧道开挖作用对地层工程性质的影响[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C];2001年

4 曹玉玲;秦峰;韦雁飞;;论盐坝高速公路大梅沙隧道建设管理工作[A];2001年全国公路隧道学术会议论文集[C];2001年

5 吴宏伟;周小文;J.K.H.Chung;;浅埋平行隧道相互作用离心模型试验研究[A];中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集（下册）[C];2003年

6 傅刚;张林;;“八一”、“向阳”隧道衬砌开裂分析及治理[A];中国土木工程学会第十三届年会暨隧道及地下工程分会第十五届年会论文集[C];2008年

7 A·Richter;杨辉;;水泥和聚氨酯灌浆在矿山和隧道开挖中的应用与效果[A];岩石与混凝土灌浆译文集[C];1995年

8 董亚东;石云;何锦明;;贵广铁路佛山隧道深基坑开挖技术[A];第二届全国地下、水下工程技术交流会论文集[C];2011年

9 田执祥;;新松树湾隧道变形规律的试验研究[A];城市地下空间开发与地下工程施工技术高层论坛论文集[C];2004年

10 王士民;刘丰军;叶飞;汪成兵;;隧道塌方研究中的数值方法发展现状[A];中国土木工程学会第十二届年会暨隧道及地下工程分会第十四届年会论文集[C];2006年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 通讯员 陈薇 郭文清;奎北铁路巴音努鲁隧道月底贯通[N];伊犁日报(汉);2008年

2 本报记者 俞莹　刘凌;贵金线3号隧道提前贯通[N];贵阳日报;2009年

3 通讯员 邓昆伦 张雷;贵广铁路千米以下隧道全部贯通[N];中国铁道建筑报;2010年

4 通讯员 李连明　何增旺 牟绍书;安邵高速公路I标段隧道开挖突破8000米[N];人民铁道;2011年

5 本报记者 张爱正;隧道塌方何时了？质量监察要做好![N];中国贸易报;2012年

6 石中生 本报通讯员　 田冬 张伟;环保理念贯穿建设始终[N];中国交通报;2006年

7 唐爱众邋张君 石治荣;浏阳河隧道六大技术难题咋破解？[N];科技日报;2007年

8 徐景明;翔安隧道挺进“最深点”[N];厦门日报;2008年

9 张纪平邋刘刚;世界跨度最大穿河隧道顺利贯通[N];中华建筑报;2008年

10 通讯员赵江平;我国最长高瓦斯隧道动工开挖[N];中国铁道建筑报;2009年

中国博士学位论文全文数据库 前5条

1 吴翔天;隧道开挖对桩基承载性状的影响分析及试验研究[D];西安科技大学;2013年

2 杜炜平;隧道开挖地质灾害规律与防治对策研究[D];中南大学;2001年

3 张俊峰;软土地区基坑对下卧隧道变形的影响与控制研究[D];上海交通大学;2013年

4 万明富;超大跨公路隧道开挖力学行为研究[D];东北大学　;2009年

5 黄强;基于黏弹性理论的隧道围岩应力分析研究[D];武汉理工大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 徐锐;基于HHT分析的超浅埋隧道下穿民房降振控爆技术研究[D];西南交通大学;2015年

2 徐庆;软弱土层开挖施工方法的研究[D];南昌大学;2015年

3 孙亚朋;超前小导管在隧道开挖过程中支护机理的研究[D];河南工业大学;2016年

4 雷海波;盾构隧道开挖面附近地下水渗流的数值模拟与解析近似[D];北京交通大学;2016年

5 罗宁;深埋软岩大变形隧道开挖松动区研究[D];西南交通大学;2016年

6 张安琪;隧道下穿既有地铁结构受力特征及变形规律分析[D];北京交通大学;2016年

7 贺恒炜;地铁隧道开挖对邻近既有建筑物沉降影响分析[D];西安科技大学;2015年

8 宋青波;巴达铁路黎家湾隧道不良地质段施工技术研究[D];石家庄铁道大学;2016年

9 杜永刚;衬砌脱空及减薄对隧道地震响应的影响研究[D];昆明理工大学;2016年

10 张熙;挤压破碎区隧道开挖大变形控制研究[D];西安建筑科技大学;2016年

  本文关键词：土质隧道开挖诱发围岩应力与变形解析研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：473320