青岛地铁隧道开挖引起的地表变形及其对上部建筑物的损伤研究

摘要

本研究依托青岛地铁一期工程（3号线）科研课题:“青岛地铁开挖施工对地面建筑物的损伤控制与评估技术研究”（项目编号:SDSITC-0108310），针对青岛地铁隧道开挖引起地表变形，及其开挖引起的地表沉降和爆破振动对上部建筑物损伤展开数值模拟以及现场监测等方面的研究，具体包括以下几个方面内容:
　　(1)本文运用ANSYS软件模拟了隧道（采用Drucker-Prager本构模型，选用Solid45实体单元）开挖引起地层应力和应变的变化。在分析隧道开挖引起地层的应力和变形时应扣除初始地应力的影响。另外，ANSYS软件模拟隧道的开挖与支护是通过单元的“生死”功能实现的。
　　(2)通过对隧道开挖过程进行数值模拟得到如下结论:隧道开挖之后，拱顶发生了下沉，拱的两边向隧洞收敛，拱的底部向上隆起;地表横截面沉降曲线符合正态分布，与Peck公式得到的曲线形状一致;地表水平位移曲线沿拱顶轴线对称分布，两边沉降值方向相反;拱顶在距离掌子面比较近的区域下沉速度大，当达到一定距离时变形趋于稳定，且拱顶沉降曲线形状呈指数函数分布。
　　(3)为了验证数值模拟得到的地表沉降值是否准确，把实际检测的地表沉降值与模拟得到的结果进行对比分析，发现模拟虽然和实际结果有误差，但是整体变化过程还是一致的，说明模拟得到的数据对实际工程具有指导意义。
　　(4)通过有限元计算，得到了建筑结构在地表沉降和爆破振动影响下的应力分布情况，结合Ottosen和过-王等破坏准则的屈服接近度函数得出了建筑结构的损伤分布范围和演化过程。由此实现了对不同沉降量和爆破振速影响下建筑结构开裂损伤的量化评估与控制。
　　本文通过数值模拟及现场监测等方法分析得出的结论可为今后青岛地铁类似隧道工程的设计及施工提供一定的借鉴和参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 青岛地铁3号线工程概况

1．3 国内外研究现状

1．3．1 隧道开挖对地层变形影响的研究

1．3．2 隧道开挖对邻近建筑物损害的影响研究

1．3．3 建筑物损伤分析的研究

1．4 本文研究的主要内容

第2章 相关基础理论

2．1 隧道开挖引起的地层变形机理

2．2 地层沉降预测理论

2．2．1 Peek公式

2．2．2 随机介质理论

2．3 地表移动与变形对地面建筑物的影响分析

2．3．1 地表沉降对建筑物的影响

2．3．2 地表倾斜对建筑物的影响

2．3．3 地表曲率对建筑物的影响

2．3．4 地表水平变形对建筑物的影响

2．4 屈服接近度

2．5 混凝土破坏准则

2．6 本章小结

第3章 地表沉降规律数值分析

3．1 ANSYS软件简介

3．2 ANSYS模拟隧道施工的实现过程

．3．2．1 所采用的本构模型

3．2．2 所采用的单元

3．2．3 初始地应力的处理

3．2．4 隧道施工模拟过程

3．3 青岛地铁区间隧道开挖数值模拟

3．3．1 区间概况

3．3．2 区间工程地质

3．3．3 全断面开挖数值模拟

3．3．4 台阶法开挖数值模拟

3．4 地表沉降实测值和数值模拟计算值对比分析

3．4．1 全断面

3．4．2 台阶法

3．5 结论

第4章 建筑物损伤机理、规律及定量预测方法

4．1 工程概况及沉降预测

4．1．1 工程概况

4．1．2 沉降预测

4．2 建筑结构损伤预测方法

4．2．1 屈服接近度函数

4．2．2 损伤结果分析

4．3 振动损伤预测及控制标准

4．3．1 沉降控制标准

4．3．2 爆破振动监测结果及分析

4．3．3 建筑物爆破振动损伤预测

4．3．4 双重影响损伤预测

4．4 结论

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢