土质隧道支护方式对围岩稳定性影响的模型试验研究

摘要

随着我国基础建设的不断发展，隧道在公路、铁路以及城市地铁建设中，都得到了广泛的应用。由于隧道工程的围岩介质—“岩土”，其物理及力学性质复杂多变，我们对其稳定性的认识还不够完善，因此在修筑隧道工程时，经常会出现岩体塌落甚至塌方等围岩失稳的情况。隧道工程施作时，一般都要对围岩设置支护结构以加固围岩，保证围岩的稳定性。然而，由于围岩本身性质的复杂多变且隧道等地下工程的力学模式与地面工程相比具有很大的区别，因而长期以来，在支护结构的计算模式与施工措施等方面还存在不少问题。因此开展支护对围岩稳定性的大尺度模型试验研究，对地下工程理论的进步与现实工程的实践都具有很强的借鉴意义。
　　根据相似理论并考虑实际实验条件，模型试验采用砂土模拟隧道围岩，铁丝模拟支护锚杆，以充满水的圆形水带模拟隧道洞室，通过调节水带内的水头压力来模拟对隧道洞周围岩施加的不同支护力。采用土压力计来量测围岩不同观测点的土压力值。分组试验有锚杆支护与无锚杆支护时不同洞周支护力下围岩的应力变化情况，并与围岩初始应力相比较。分析围岩应力变化规律，隧道开挖过程中围岩稳定性的变化与分区规律；研究不同洞周支护力作用下以及不同锚杆长度加固作用下围岩稳定性的变化规律。并将试验结果与有限元模拟所得结果以及经典理论解析解所结果进行对比分析。
　　通过对比分析与研究主要得到以下结论：通过对比分析径向应力、环向应力与其各自初始值的大小来确定围岩的分区，开挖影响圈的大小约为隧洞跨度的2倍，影响圈范围内应力重新分布，形成次生应力场；影响圈之外，应力改变不大（以应力变化量5％为控制标准），为原岩应力或接近原岩应力。在影响区范围内围岩径向应力变小，在松动区内环向应力小于初始应力，松动区外环向应力相比于初始应力则有所增加。隧道在添加锚杆支护后能有效提高洞周围岩的整体稳定性，加强洞周围岩的物理性质，增大了围岩承载区的范围，更能有效利用围岩自身的承载能力。锚杆的支护长度与松动区厚度的大小密切相关。对比模型试验与有限元模拟结果，无论是在有支护还是无支护时，有限元模拟所得分区均小于模型试验结果所得，因此相比于试验有限元计算所得结果较为保守。因而，在实际工程中若参考有限元模拟破碎介质围岩所得出的结果，应将有限元模拟出的结果予以扩大修正。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2隧道围岩稳定性与支护方式概述

1.3围岩支护研究历史及现状

1.4新奥法的实质和基本原则

1.5本文的主要工作内容

第2章 隧道开挖后围岩稳定的基本理论

2.1概论

2.2围岩应力的弹塑性分析

2.3支护对围岩稳定性的影响

2.4围岩压力

2.5本章小结

第3章 模型试验

3.1试验模型原理概述

3.2模型制作时需要考虑的因素

3.3 堆载模型尺寸设计

3.4模型试验的制作

3.5本章小结

第4章 试验模型结果分析

4.1模型试验数据整理

4.2无支护时不同直径洞体开挖后应力场分布

4.3仅有洞周支护力下洞周围岩应力场分布

4.4不同锚杆长度下洞周围岩应力场分布

4.5合理支护长度与不同洞周支护力共同作用下洞周围岩应力场分布

4.6关于支护结果的讨论

4.7本章小结

第5章 数值模拟

5.1模型的建立

5.2模拟计算的方法

5.3无锚杆时试验与理论结果的比较

5.4有限元模拟结果的查看与分析

5.5本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

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