考虑中间主应力的隧洞受力分析及其应用

发布时间：2020-07-27 11:56

【摘要】：隧洞及地下工程的受力分析是土木工程研究的一个重要领域,隧洞开挖模型可以简化为与孔扩张相同的平面应变圆形轴对称模型,可以运用孔扩张理论对隧洞工程进行深入的研究。孔扩张理论可以通过简单、实用的方法解决很多复杂岩土力学问题,可合理解释土体原位试验结果,被广泛应用于隧道和地下开挖分析等实际工程问题中。忽略塑性变形区的弹性变形,相对简化了孔压力和孔变形之间的关系,对于内摩擦角和剪胀角比较大、弹性刚度比较小的土体,其影响尤为重要。采用不同的强度准则对扩孔问题的理论解影响较大,考虑中间主应力能更大程度发挥材料的强度潜能。本文在考虑中间主应力影响下,关于扩孔问题理论解及其在水工隧洞方面的应用,所做的主要研究内容和结论如下:(1)基于统一强度理论,考虑软化特性和剪胀特性的影响,分别根据塑性区小变形和塑性区大变形推导了扩孔过程中的塑性区半径和极限扩孔压力的理论解。针对小变形的扩孔问题,考虑了塑性区弹性应变的影响,对内摩擦角和剪胀角比较大的土体更适用。对于基于塑性区大变形得到的理论解,考虑了变形对材料中点的位置影响,预测极限扩孔压力更准确一些。得到的统一解为柱形孔问题的解答提供了理论依据,对工程设计有参考价值。(2)采用与柱孔扩张问题相同的简化开挖模型,基于双剪统一强度理论和三剪强度准则,考虑中间主应力、渗流、剪胀、软化和塑性区弹性模量等因素的影响,所得隧洞施工期和运行期塑性区位移公式包含了五种因素的综合影响。该位移统一解在各参数取值不同时,可退化为已有文献和未见发表的解答,根据具体的工程实例可合理选择参数的值;经与已有文献的比较,进一步验证了该理论解的正确性,并分析了两种强度理论下中间主应力参数的区别。(3)运用ABAQUS有限元软件,进行了圆锥静力贯入实验的模拟,给出了贯入仪在下沉过程4个不同阶段土体的变形图,以及贯入过程土体沿着径向和深度方向两条路径下的应力曲线和位移曲线,并分析了剪胀、粘聚力和内摩擦角对应力和位移的影响规律。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV554
【图文】：

旁压仪,土性,贯入,测试仪器

为与孔扩张相同的平面应变圆形轴对称模型，可以运用孔扩张理论对隧洞工程进行的研究。孔扩张理论可解决岩土方面复杂的力学问题，合理的解释土体原位试验结果泛应用于隧道和地下开挖分析等实际工程问题中。应用小孔扩张理论研究隧洞工程下开挖的设计和施工，同时考虑了隧洞稳定性和实用性两个重要因素，隧洞稳定性隧洞建造后不会发生破坏，实用性要求隧洞建造后不会发生大的变形，避免上部或建筑发生破坏。.1.1 孔扩张理论小孔扩张方法是指用轴对称的圆柱形或球形孔模型扩张或收缩产生的应力和变研究岩土工程中有关孔洞问题的应力场和位移场问题的研究方法[1]。小孔扩张理论通过简单、实用的方法解决很多复杂岩土力学问题，故而岩土介质中小孔扩张问题本求解已经被应用于解决岩土工程中包括土体原位试验结果解释、静压沉桩基础和承载力的估计、隧道和地下开挖分析、钻孔失稳预测等许多实际工程问题中[2-6]。

示意图,柱孔扩张,示意图,土体

图2.1柱孔扩张示意图问题的简化示意图，假定无限空间中将大型设备贯入土体的过程中，土体在性状态，其应力-应变关系满足广义 H力crp 时，孔周土体开始进入塑性阶段， p 不断增大，由初始时刻的初始孔径孔半径ua 和塑性区半径 R 也不断增加不再增加，孔会无限扩张。统一强度理论来进行描述，能合理的反强度特征，表达式整理为1 j 3j M Y(2 ) (2 3 )sinb b

轴对称,简化模型,支护力

图3.1轴对称简化模型直径时，可认为处于深埋条件下，即始地应力 q 作用的岩石地层中，处于轴壁支护力大小等于初始地应力 q，随着界支护力2rp 时，在洞壁周围开始形成塑的多，故采用轴对称平面应变状态假定

【参考文献】