黄土隧道大变形演化数值模拟方法及支护力学行为研究

摘要

中国西北和华北地区被大面积黄土地层覆盖,随着中国公路与铁路隧道的大量修建,越来越多的隧道穿越黄土地层。在黄土地层中开挖隧道时,由于黄土具有强度低,遇水软化产生湿陷性或膨胀性等特点,隧道开挖后往往会出现围岩大变形、初期支护破坏,甚至隧道塌方等现象。这些灾害已经严重制约了中国交通、水利水电等工程安全建设和运营,同时造成巨大的经济损失,对社会造成负面影响。因此,开展黄土隧道在开挖扰动下的变形塌方全过程数值模拟及支护力学特性研究,对于分析隧道塌方诱因并指导现场施工,确保隧道稳定性具有十分重要的现实工程意义、社会意义。 本文以山西太兴铁路黄土隧道工程为背景,采用数值模拟和理论分析方法,并结合室内试验及现场监测数据,对隧道大变形演化过程及支护力学行为进行研究,本文的主要研究内容包括: (1)基于流形覆盖思想,建立重心插值试函数,采用固定欧拉背景网格和移动材料点双重离散方法,以材料粒子作为网格积分点,实现了用连续模拟非连续破坏过程的大变形数值模拟方法,即重心插值的流形覆盖拉格朗日积分点法。该方法由于采用欧拉网格作为背景积分网格,通过粒子在网格间的运动描述宏观物体的变形行为,避免了大变形计算过程中网格发生畸变导致计算终止,且材料粒子可以在所设定的区域内无限制地进行运算,适合模拟岩土工程中的大变形和塌方问题。 (2)采用复变函数方法,并结合摩尔-库伦塑性判据,推导得到了非圆形隧道开挖后的弹塑性两段式围岩特征曲线。以一马蹄形隧道为例,采用复合形法对隧道洞形进行保角映射,得到了该马蹄形隧道的弹塑性围岩特征曲线表达式,并采用FLAC数值模拟方法对本文推导结果进行了验证。 (3)将锚杆作为围岩共同承载体系的一部分,基于隧道开挖弹塑性力学解析解,考虑锚杆长度和支护间距等因素,通过均匀化方法,推导了锚杆加固作用下的圆形隧道复合岩体围岩特征曲线解析解。将所推导的解析解与数值计算结果进行了对比,结果吻合良好。 (4)针对黄土隧道在降雨作用下发生塌方与支护破坏的问题,提出适用于该黄土隧道的“钢拱架+钢格栅+喷射混凝土”联合支护方式。利用弹性薄壳理论建立了联合支护的力学分析模型,并引入等效截面法得到了联合支护体系的受力分配模式及支护结构刚度与最大支护力的等效计算方法。 (5)在前述理论研究基础上,以山西太兴铁路小河沟隧道为工程背景,采用本文提出的重心插值的流形覆盖拉格朗日积分点法再现了隧道洞口边坡及隧道内部断面塌方过程,从理论角度解释了该隧道原始初期支护发生破坏的原因。同时工程应用表明,与原始“钢拱架+喷射混凝土”支护方式相比,本文提出的“钢拱架+钢格栅+喷射混凝土”联合支护方式在膨胀性黄土隧道中更具优势,充分发挥了不同材料的承载特性,保证了隧道的稳定性。 本文研究内容为隧道大变形数值模拟实现,黄土隧道支护措施及力学特性分析提供了新的方法,对于黄土隧道施工及支护具有重要的参考借鉴意义。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1黄土隧道稳定性及支护技术研究

1．2．2隧道开挖力学分析的理论研究

1．2．3收敛约束法研究

1．2．4隧道大变形数值模拟方法

1．3主要研究内容

1．4技术路线

1．5创新点

第二章重心插值的流形覆盖拉格朗日积分点方法研究

2．1引言

2．2重心插值的流形覆盖拉格朗日积分点法的几何描述

2．2．1连续介质力学中的运动描述方法

2．2．2拉格朗日积分点法的几何描述

2．2．3流形覆盖的几何描述与试函数

2．3．1重心插值试函数构造

2．3．2重心插值的拉格朗日积分点法的基本方程

2．3．3控制方程求解

2．3．4数值积分

2．4算例验证

2．5本章小结

第三章非圆形隧道围岩弹塑性围岩特征曲线求解

3．1考虑支护力隧道开挖弹性复变函数求解

3．1．1考虑支护力隧道开挖弹性复变函数一般解

3．1．2圆形隧道开挖弹性复变函数解

3．1．3 非圆形隧道开挖弹性复变函数解

3．2弹塑性围岩特征曲线求解

3．3模型验证

3．4本章小结

第四章锚杆加固作用下复合岩体围岩特征曲线解析方法研究

4．1锚杆支护状态下围岩力学参数

4．2复合岩体围岩特征曲线解析解推导

4．2．1 无支护状态下应力分区

4．2．2锚杆支护状态下复合岩体围岩特征曲线推导

4．3模型验证

4．4本章小结

第五章黄土隧道钢拱架韶栅联合支护力学特性研究

5．1．1钢拱架与钢格栅对比

5．1．2联合支护技术的提出

5．2收敛约束法基本原理

5．3力学模型建立

5．3．1 初期支护结构力学分析

5．3．2联合支护结构力学分析

5．3．3联合支护体系的最大支护力确定

5．4支护特征曲线

5．4．1传统计算方法

5．4．2等效计算方法

5．4．3支护特征曲线初始位移确定

5．4．4安全系数确定

5．5本章小结

第六章工程应用

6．1工程概况

6．2膨胀性黄土隧道塌方过程数值模拟

6．3膨胀性黄土隧道围岩支护稳定性理论分析

6．4本章小结

7．1结论

7．2展望

参考文献

致谢

在读期间取得的科研成果

在读期间参与的科研项目