高填明洞土压力卸载模型试验和数值模拟研究

摘要

明洞作为采用明挖法修筑的隧道结构的一种，在由山、原、川三大地貌类型构成主体的黄土高原被广泛使用。交通的迅速发展促进了城市化进程的加快，也使得城市用地日趋紧张，削山造地、深沟回填成为了创造城市用地的一大主要途径。因而，针对于明洞回填的工程也逐渐增多，回填高度也逐渐增大，而由于多数明洞设计之初大都未考虑明洞上方高回填情况，不断增大的明洞回填土压力成为了影响明洞正常安全使用的重要不利因素之一。高填方明洞土压力问题属于高填结构物土压力问题范畴，而目前对于高填结构物土压力的研究则主要集中在涵洞（管方面，对于高填明洞研究较少。回填过程中不断增大的土压力将对明洞结构安全产生极其不利的影响，导致明洞结构病害的产生。
　　基于以上问题的出现，本文围绕明洞回填过程中采取何种措施达到减小明洞所受土压力及确定卸载后明洞顶土压力两方面问题开展了研究。首先，根据不同卸载设置条件下的的室内模型试验，得到回填过程中明洞土压力变化规律；然后，建立有限元分析模型，对影响卸载作用下明洞土压力影响因素进行了探究；最后，根据室内试验和有限元分析结果，依据岩土力学理论，对加筋卸载作用下的明洞顶土压力进行了理论计算公式推导。主要结论如下：
　　（1）通过对不同卸载设置条件下的高填明洞土压力模型试验的土压力、土体沉降实测得到：无论设置卸载措施与否，明洞回填过程中，洞顶、洞脚土压力随填土高度都呈非线性变化；减小明洞内外土柱沉降差绝对值而有利于明洞顶土压力的减小，且设置方式不同，卸载效率不同；在设置低压实度孔的条件下，土工格栅的铺设有利于进一步减小明洞洞顶土压力，但由于格栅变形空间有限，多层减载效果不明显；增大明洞两侧填土压缩模量对提高低压实土和土工格栅组合卸载措施的卸载率有积极作用；填土高度不大时，明洞顶土压力可近似采用土柱法γH计算，填土高度增大，土柱法不再适用。
　　（2）建立有限元分析模型，分析结果表明：明洞回填过程中，明洞顶产生土拱效应有利于明洞顶土压力的减小；各因素分析中，低压实度孔的设置对于减小明洞内外土柱沉降差绝对值影响最大，因而对明洞顶土压力大小影响也最为显著。
　　（3）参照室内模型试验、有限元分析结果，建立边坡存在条件下的加筋卸载高填明洞顶土压力计算模型，以等沉面高度 Hc为界，推导得到了不同填土高度下的明洞顶土压力计算公式，为高填土明洞及其减载结构设计及施工提供理论参考。

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1 绪论

1.1 明洞的介绍[1-3]

1.2 研究背景及意义

1.3 研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 高填明洞土压力卸载室内模型试验研究

2.1 土压力卸载机理

2.2 室内模型试验设计

2.3试验结果及分析

2.4小结

3 高填明洞土压力卸载有限元分析

3.1有限元分析概述[64-65]

3.2有限元分析模型建立

3.3有限元计算结果及分析

3.4高填明洞土压力卸载影响因素分析

3.5小结

4 高填明洞土压力卸载计算理论研究

4.1概述

4.2高填明洞土压力卸载计算公式推导

4.3理论计算与有限元计算结果对比

4.4小结

5 结论与展望

5.1结论

5.2 有待进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读学位期间发表论文情况