隧道穿越膨胀性古土壤层衬砌结构受力特征及厚度优化
发布时间：2022-07-13 10:58
我国西部黄土高原区地形起伏大,由于线路纵坡限制,铁路线路通过黄土塬区常以隧道的形式穿越。银川-西安高速铁路（简称银西铁路）穿越塬区时,遇到较厚具有弱膨胀性的古土壤层,而已有关于穿越膨胀性地层隧道开挖及支护方式多参照未考虑膨胀力的黄土地层的施工经验,使得穿越膨胀性古土壤地层的隧道衬砌结构力学性能存在较大风险。论文以银西铁路早胜隧道为依托工程,通过室内试验,数值模拟,现场监测相结合的方法,对穿越膨胀性古土壤层大断面隧道衬砌受力特征进行研究,揭示膨胀力荷载作用下衬砌力学响应及内力分布特征,提出适用于古土壤层的衬砌厚度设计参数。论文的研究取得如下成果:（1）通过室内试验系统研究了古土壤的工程特性,并分别根据含水率和原状、重塑古土壤的强度、膨胀力、膨胀率的关系,得到以含水率为自变量的古土壤强度、膨胀指标表达式。根据古土壤在干湿循环以及外部荷载耦合作用下的损伤变量,建立考虑含水率变化及荷载作用下的古土壤损伤方程。（2）依据早胜古土壤隧道工程建立地层结构模型,根据渗流方程与温度传导方程在表达形式上的一致性以及温度场和水分场的关联性,采用温度场替代水分场模拟古土壤膨胀力影响下初期支护的应力-应变场。根...
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 古土壤成因及膨胀机理
1.2.2 古土壤膨胀特性及力学特性
1.2.3 穿越膨胀地层隧道衬砌受力特性
1.2.4 现有研究存在的不足
1.3 研究内容及技术路线
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 技术路线
2 工程概况及古土壤特性
2.1 工程概况
2.1.1 工程简介
2.1.2 地层岩性
2.1.3 开挖支护参数
2.2 古土壤的力学特性
2.2.1 取样及试样制备
2.2.2 古土壤力学参数
2.2.3 不同含水率下强度特性
2.3 古土壤的膨胀特性
2.3.1 试验原理
2.3.2 古土壤有荷膨胀率规律
2.3.3 不同含水率下膨胀特性
2.4 干湿循环与外荷载作用下古土壤的本构关系
2.4.1 外荷载引起的古土壤损伤
2.4.2 干湿循环与外荷载作用下古土壤的本构关系
2.5 小结
3 古土壤隧道初期支护受力特征及厚度优化
3.1 古土壤水分场等效计算理论
3.2 耦合分析模型建立
3.2.1 单元及边界设置
3.2.2 参数选取
3.2.3 模型工况设置
3.3 结果分析
3.3.1 静力分析阶段
3.3.2 热位移耦合阶段
3.3.3 膨胀力数值对支护受力的影响
3.3.4 混凝土厚度对支护受力的影响
3.4 小结
4 古土壤隧道二次衬砌安全性分析及厚度优化
4.1 荷载-结构模型建立
4.1.1 模型建立
4.1.2 参数选取
4.1.3 弹性反力系数对二次衬砌受力的影响
4.1.4 工况设置
4.2 二次衬砌安全性分析
4.2.1 矩形截面安全系数计算
4.2.2 松散荷载作用下衬砌内力规律
4.2.3 叠加膨胀力荷载后衬砌内力规律
4.3 二次衬砌配筋计算及厚度优化
4.3.1 配筋量计算原理
4.3.2 衬砌配筋量统计
4.3.3 二次衬砌厚度优化
4.4 小结
5 古土壤隧道支护结构现场监测试验
5.1 测试内容及方案
5.1.1 现场监测内容
5.1.2 仪器埋设方案确定
5.1.3 仪器安装要点
5.2 监测结果分析
5.2.1 围岩与初期支护接触压力
5.2.2 喷射混凝土应力
5.2.3 钢拱架应力
5.2.4 相邻钢拱架间作用力
5.2.5 二次衬砌与初期支护接触压力
5.2.6 二次衬砌混凝土应力
5.3 实测荷载作用下二衬安全性分析
5.4 小结
6 结论与展望
6.1 主要结论
6.2 展望
致谢
参考文献
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]强膨胀土自然膨胀特性的试验研究[J]. 刘岩,吴天前,邹维列. 华中科技大学学报(自然科学版). 2020(02)
[2]增湿条件下的膨胀土隧道衬砌安全系数分析[J]. 余泽新,杨幼江. 地下空间与工程学报. 2019(S1)
[3]干湿循环作用下古土壤细微观结构及宏观力学性能变化规律研究[J]. 叶万军,吴云涛,杨更社,景宏君,常帅斌,陈明. 岩石力学与工程学报. 2019(10)
[4]辽宁泥质砂岩膨胀特性及水泥改良试验研究[J]. 张立伟,杨果林,刘欢,段君义,周胡波. 铁道建筑. 2019(06)
[5]酸性环境干湿循环条件下膨胀土的膨胀特性及微观作用分析[J]. 常锦,杨和平,肖杰,刘雄,毛瑞,陈冠一. 中国公路学报. 2019(03)
[6]甘肃天水全新世黄土—古土壤序列化学风化特征及其古气候意义[J]. 刘俊余,查小春,黄春长,庞奖励,周亚利,李洋. 沉积学报. 2018(05)
[7]氯化钠溶液饱和不同初始含水率膨润土的膨胀特性[J]. 于海浩,孙德安,韦昌富,颜荣涛. 岩土工程学报. 2019(03)
[8]膨胀土增湿过程中膨胀规律的试验研究[J]. 李进前,王起才,张戎令,张唐瑜,王天双,梁柯鑫. 水利水运工程学报. 2018(03)
[9]围压及含水量对重塑膨胀土抗剪强度的影响[J]. 张旭光. 科学技术与工程. 2018(11)
[10]李家坪隧道膨胀性围岩力学特性试验及塌方原因分析[J]. 张毅,折学森,高学伸. 水资源与水工程学报. 2018(01)
博士论文
[1]滑坡地段浅埋膨胀土隧道变形机理及防控技术研究[D]. 张毅.长安大学 2019
[2]浅埋大跨膨胀土隧道变形机理及支护力学行为研究[D]. 李化云.西南交通大学 2014
[3]膨胀土隧道受力机理及结构设计方法研究[D]. 凌昊.西南交通大学 2014
[4]膨胀土膨胀机理及细观膨胀模型研究[D]. 贾景超.大连理工大学 2010
硕士论文
[1]考虑沉积年代的黄土-古土壤物理力学性质变化及其工程应用[D]. 白健忠.长安大学 2019
[2]延安市宝塔区前锁崖滑坡古土壤微观结构与坡体稳定性关系研究[D]. 冯班统.西安科技大学 2018
[3]不良地层TBM隧道围岩变形与支护结构受力特征研究[D]. 王鸣冠.西南交通大学 2018
[4]青海李家峡灌区引水隧洞围岩膨胀变形控制及支护结构受力特性研究[D]. 刘保训.西安理工大学 2017
[5]木寨岭高地应力软岩隧道岭脊段支护结构受力特征研究[D]. 肖祖通.北京交通大学 2017
[6]软弱膨胀性围岩浅埋隧道松动围岩压力研究[D]. 段思聪.华中科技大学 2015
[7]膨胀土膨胀性与收缩性的对比试验研究[D]. 章李坚.西南交通大学 2014
[8]天池坪隧道支护结构位移反分析[D]. 马小虎.兰州交通大学 2011
[9]膨胀岩隧道支护结构受力特性和围岩稳定性研究[D]. 杨洪鸿.福州大学 2011
[10]膨胀土隧道衬砌膨胀力数值模拟研究[D]. 周坤.西南交通大学 2007
本文编号：3659919
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 古土壤成因及膨胀机理
1.2.2 古土壤膨胀特性及力学特性
1.2.3 穿越膨胀地层隧道衬砌受力特性
1.2.4 现有研究存在的不足
1.3 研究内容及技术路线
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 技术路线
2 工程概况及古土壤特性
2.1 工程概况
2.1.1 工程简介
2.1.2 地层岩性
2.1.3 开挖支护参数
2.2 古土壤的力学特性
2.2.1 取样及试样制备
2.2.2 古土壤力学参数
2.2.3 不同含水率下强度特性
2.3 古土壤的膨胀特性
2.3.1 试验原理
2.3.2 古土壤有荷膨胀率规律
2.3.3 不同含水率下膨胀特性
2.4 干湿循环与外荷载作用下古土壤的本构关系
2.4.1 外荷载引起的古土壤损伤
2.4.2 干湿循环与外荷载作用下古土壤的本构关系
2.5 小结
3 古土壤隧道初期支护受力特征及厚度优化
3.1 古土壤水分场等效计算理论
3.2 耦合分析模型建立
3.2.1 单元及边界设置
3.2.2 参数选取
3.2.3 模型工况设置
3.3 结果分析
3.3.1 静力分析阶段
3.3.2 热位移耦合阶段
3.3.3 膨胀力数值对支护受力的影响
3.3.4 混凝土厚度对支护受力的影响
3.4 小结
4 古土壤隧道二次衬砌安全性分析及厚度优化
4.1 荷载-结构模型建立
4.1.1 模型建立
4.1.2 参数选取
4.1.3 弹性反力系数对二次衬砌受力的影响
4.1.4 工况设置
4.2 二次衬砌安全性分析
4.2.1 矩形截面安全系数计算
4.2.2 松散荷载作用下衬砌内力规律
4.2.3 叠加膨胀力荷载后衬砌内力规律
4.3 二次衬砌配筋计算及厚度优化
4.3.1 配筋量计算原理
4.3.2 衬砌配筋量统计
4.3.3 二次衬砌厚度优化
4.4 小结
5 古土壤隧道支护结构现场监测试验
5.1 测试内容及方案
5.1.1 现场监测内容
5.1.2 仪器埋设方案确定
5.1.3 仪器安装要点
5.2 监测结果分析
5.2.1 围岩与初期支护接触压力
5.2.2 喷射混凝土应力
5.2.3 钢拱架应力
5.2.4 相邻钢拱架间作用力
5.2.5 二次衬砌与初期支护接触压力
5.2.6 二次衬砌混凝土应力
5.3 实测荷载作用下二衬安全性分析
5.4 小结
6 结论与展望
6.1 主要结论
6.2 展望
致谢
参考文献
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]强膨胀土自然膨胀特性的试验研究[J]. 刘岩,吴天前,邹维列. 华中科技大学学报(自然科学版). 2020(02)
[2]增湿条件下的膨胀土隧道衬砌安全系数分析[J]. 余泽新,杨幼江. 地下空间与工程学报. 2019(S1)
[3]干湿循环作用下古土壤细微观结构及宏观力学性能变化规律研究[J]. 叶万军,吴云涛,杨更社,景宏君,常帅斌,陈明. 岩石力学与工程学报. 2019(10)
[4]辽宁泥质砂岩膨胀特性及水泥改良试验研究[J]. 张立伟,杨果林,刘欢,段君义,周胡波. 铁道建筑. 2019(06)
[5]酸性环境干湿循环条件下膨胀土的膨胀特性及微观作用分析[J]. 常锦,杨和平,肖杰,刘雄,毛瑞,陈冠一. 中国公路学报. 2019(03)
[6]甘肃天水全新世黄土—古土壤序列化学风化特征及其古气候意义[J]. 刘俊余,查小春,黄春长,庞奖励,周亚利,李洋. 沉积学报. 2018(05)
[7]氯化钠溶液饱和不同初始含水率膨润土的膨胀特性[J]. 于海浩,孙德安,韦昌富,颜荣涛. 岩土工程学报. 2019(03)
[8]膨胀土增湿过程中膨胀规律的试验研究[J]. 李进前,王起才,张戎令,张唐瑜,王天双,梁柯鑫. 水利水运工程学报. 2018(03)
[9]围压及含水量对重塑膨胀土抗剪强度的影响[J]. 张旭光. 科学技术与工程. 2018(11)
[10]李家坪隧道膨胀性围岩力学特性试验及塌方原因分析[J]. 张毅,折学森,高学伸. 水资源与水工程学报. 2018(01)
博士论文
[1]滑坡地段浅埋膨胀土隧道变形机理及防控技术研究[D]. 张毅.长安大学 2019
[2]浅埋大跨膨胀土隧道变形机理及支护力学行为研究[D]. 李化云.西南交通大学 2014
[3]膨胀土隧道受力机理及结构设计方法研究[D]. 凌昊.西南交通大学 2014
[4]膨胀土膨胀机理及细观膨胀模型研究[D]. 贾景超.大连理工大学 2010
硕士论文
[1]考虑沉积年代的黄土-古土壤物理力学性质变化及其工程应用[D]. 白健忠.长安大学 2019
[2]延安市宝塔区前锁崖滑坡古土壤微观结构与坡体稳定性关系研究[D]. 冯班统.西安科技大学 2018
[3]不良地层TBM隧道围岩变形与支护结构受力特征研究[D]. 王鸣冠.西南交通大学 2018
[4]青海李家峡灌区引水隧洞围岩膨胀变形控制及支护结构受力特性研究[D]. 刘保训.西安理工大学 2017
[5]木寨岭高地应力软岩隧道岭脊段支护结构受力特征研究[D]. 肖祖通.北京交通大学 2017
[6]软弱膨胀性围岩浅埋隧道松动围岩压力研究[D]. 段思聪.华中科技大学 2015
[7]膨胀土膨胀性与收缩性的对比试验研究[D]. 章李坚.西南交通大学 2014
[8]天池坪隧道支护结构位移反分析[D]. 马小虎.兰州交通大学 2011
[9]膨胀岩隧道支护结构受力特性和围岩稳定性研究[D]. 杨洪鸿.福州大学 2011
[10]膨胀土隧道衬砌膨胀力数值模拟研究[D]. 周坤.西南交通大学 2007
本文编号：3659919
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