公路隧道围岩与喷射混凝土初期支护复合刚度研究

摘要

本文在现有研究的基础上，结合结构力学、岩体力学、弹塑性理论和大型三维岩土数值软件MIDAS/GTS，对圆形隧道从开挖前直到开挖支护后围岩各个阶段的应力位移状态等进行了较为系统的总结和分析。提出初期支护复合刚度的理念，利用MIDAS/GTS对初期支护复合刚度的合理性、适用性进行探讨。从隧道周边位移的角度关注隧道的稳定性、安全性。主要工作包括:
　　①在假定初始应力等向（即侧压力系数λ=1）的条件下归纳、总结和推导了二次弹塑性围岩应力位移状态以及隧道围岩与支护结构共同作用下的应力位移状态的理论解析式。
　　②对圆形隧道围岩应力和位移状态的分布特征和影响因素以及支护结构对围岩稳定性的影响进行了分析，阐明了围岩径向正应力、切向正应力、径向位移等在不同条件下的分布和变化规律。
　　③利用Midas GTS模拟分析了圆形隧道的弹塑性二次应力及位移状态，得到在围岩条件较好的Ⅲ级围岩以及围岩条件较差的Ⅴ级围岩情况下的数值解，并与解析解进行了比较。分析了圆形隧道围岩与喷射混凝土初期支护共同作用下，围岩应力及位移状态，得到在围岩条件较好的Ⅲ级围岩以及围岩条件较差的Ⅴ级围岩情况下的数值解，并与解析解进行了比较。
　　④从初期支护结构体系中的喷射混凝土支护的受力特性和工程特点出发，结合刚度的概念，借鉴目前基于岩体力学的特征曲线法，以及考虑隧道结构体系设计方法中的结构力学、岩体力学方法的优势劣势，建立力学模型，对公路隧道围岩与喷射混凝土初期支护的复合刚度进行研究，分析典型参数对隧道复合刚度的影响，探讨它的合理性、适用性、可行性。
　　⑤根据Midas GTS建模技术，通过确定物理力学参数、初始条件、边界条件、材料的本构关系、单元网格类型等，建立隧道的三维几何模型。用Midas GTS对浅埋隧道和深埋隧道在围岩条件较好的Ⅲ级围岩以及围岩条件较差的Ⅴ围岩情况下的围岩位移状态进行分析，用数值解和基于公路隧道围岩与喷射混凝土初期支护复合刚度的隧道周边围岩位移的解析解进行对比分析，探讨复合刚度的适用条件以及它的特点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出及研究意义

1．1．1 问题的提出

1．1．2 研究目的和意义

1．2 研究现状及发展动态

1．2．1 隧道喷射混凝土初期支护的研究现状

1．2．2 隧道喷射混凝土初期支护受力分析的研究现状

1．3 隧道结构体系设计的计算方法

1．3．1 结构力学方法

1．3．2 岩体力学方法

1．4 围岩稳定性分析的研究现状

1．4．1 力学分析方法

1．4．2 围岩分类法

1．4．3 数值计算法

1．4．4 人工智能法

1．4．5 反分析法

1．5 本文主要研究内容

第二章 隧道围岩的力学状态

2．1 概述

2．2 隧道围岩初始应力状态

2．3 围岩的二次应力状态

2．3．1 隧道弹性二次应力状态及位移状态

2．3．2 隧道塑性二次应力状态及位移状态

2．4 隧道围岩与支护的共同作用

2．4．1 弹性应力状态及位移状态

2．4．2 塑性应力状态及位移状态

2．5 本章小结

第三章 隧道围岩与喷射混凝土初期支护复合刚度探讨

3．1 概述

3．2 修正惯用计算法

3．3 隧道围岩与喷射混凝土复合刚度

3．4 隧道围岩塑性区参数影响

3．5 隧道初期支护的力学评价

3．5．1 概述

3．5．2 喷射混凝土的特征曲线

3．6 两种不同形式的衬砌刚度对比

3．7 本章小结

第四章 隧道围岩应力位移状态的数值分析

4．1 岩土工程数值模拟方法简介

4．2 数值分析软件MIDAS／GTS简介及基本原理

4．3 弹性二次应力位移状态

4．4 有支护塑性三次应力位移状态

4．5 隧道围岩与喷射混凝土初期支护复合刚度的数值分析

4．5．1 浅埋隧道位移状态分析

4．5．2 深埋隧道位移状态分析

4．6 初期支护复合刚度的参数影响

4．7 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 后续展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读学位期间发表的论文目录