考虑黄土蠕变作用的隧道衬砌结构荷载传递规律研究

摘要

隧道作为地下永久性建筑，除了要保证开挖过程中围岩的稳定性，还要求能够抵抗围岩长期蠕变所带来的附加作用力。在工程实际中，部分黄土隧道在受到围岩蠕变作用出现变形过大、衬砌开裂等现象，对结构长期稳定造成不利影响。因此，从力学角度深入分析黄土蠕变条件下荷载传递规律及支护结构受力变形特点是亟待解决的重要课题。论文基于室内试验得到黄土蠕变模型，并引入围岩加固体概念建立力学模型，推导得出考虑黄土蠕变条件下的荷载传递规律，同时建立合理计算模型对衬砌内力计算，实现衬砌稳定性分析。论文主要研究成果如下： (1)通过室内土工试验，分析唐家塬Q3黄土在不同应力和含水量状态下的蠕变特性，根据试验结果选择Burgers模型作为黄土蠕变模型进行分析，同时基于数理统计方法分析模型参数及其随含水量变化的规律；通过对比研究，验证蠕变模型合理性。 (2)引入围岩加固体概念建立力学模型，同时考虑围岩剪胀作用对隧道进行粘弹塑性分析，得到围岩蠕变过程中隧道应力变形及支护结构荷载传递规律。上述研究过程中首先根据剪切滑移理论确定围岩加固体厚度、弹性模量、泊松比、内摩擦角及粘聚力等基本力学参数，然后基于修正的Burgers模型，得出考虑围岩蠕变条件下荷载传递规律及围岩变形破坏规律。 (3)以椭圆作为拱形隧道衬砌断面的拟合曲线，利用荷载．结构法进行衬砌内力计算。分析过程中基于迭代法对弹性抗力分布形式及范围进行求解，同时引入迭代传递系数，以简化迭代过程，实现衬砌内力的准确且快速计算。依据内力计算结果，得到衬砌稳定的最不利位置，据此为衬砌稳定性评价提供依据。 (4)以唐家塬隧道为工程背景，分析隧道围岩蠕变特点及影响因素，并分析隧道支护结构长期受力特点，应用本文理论与实测数据进行对比分析，验证理论的正确性，同时对现有支护条件下的隧道长期稳定性进行分析，指出其中的问题，并提出合理的设计方案。 论文通过对黄土蠕变条件下支护结构荷载传递规律进行深入研究，提出“在软弱地层中，初期支护保证施工阶段隧道安全，并与二次衬砌共同承担围岩蠕变引起的附加应力作用，保证隧道运营全周期内支护结构稳定；同时重视初期支护与二次衬砌支护强度协调配置”的支护设计理念。研究成果具有重要的理论和实践指导意义。

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1 绪 论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 国内外研究现状及评述

1.2.1 黄土蠕变特性研究现状

1.2.2 隧道稳定性研究现状

1.2.3 隧道衬砌计算理论研究现状

1.3 研究内容

1.4 研究方法和技术路线

2 黄土蠕变特性试验研究及蠕变模型建立

2.1 黄土流变特性

2.2 实验设备及原理

2.3 蠕变实验步骤

2.3.1 采样步骤

2.3.2 试验步骤

2.3.3 试样钻孔直径确定

2.4 黄土试样破坏形态分析

2.5 黄土蠕变特性试验数据分析

2.6 黄土蠕变模型的建立

2.6.1 流变模型理论

2.6.2 蠕变模型建立及模型参数计算

2.6.3 模型参数变化规律分析

2.7 本章小结

3 衬砌结构荷载传递规律理论分析

3.1 统一强度理论

3.2 围岩加固体力学性质确定

3.2.1 支护反力确定

3.2.2 围岩加固体物理力学参数

3.3 考虑围岩剪胀作用的隧道弹塑性分析

3.3.1 平面应变条件下考虑围岩剪胀特性的统一强度准则

3.3.2 围岩弹性区分析

3.3.3 围岩塑性区分析

3.4 考虑围岩剪胀作用的隧道粘弹塑性分析

3.4.1 粘弹性区蠕变位移解

3.4.2 粘塑性区蠕变位移解

3.5 衬砌荷载传递规律分析

3.5.1 考虑剪胀作用的围岩变形规律

3.5.2 初期支护受力规律

3.5.3 二次衬砌受力规律

3.6 本章小结

4 隧道衬砌内力计算及稳定性分析

4.1 曲墙拱隧道衬砌内力计算

4.1.1 理论模型建立

4.1.2 偏压荷载作用下隧道衬砌内力计算

4.1.3 弹性抗力作用下隧道衬砌内力计算

4.1.4 外荷载及弹性抗力共同作用下隧道衬砌内力计算

4.1.5 衬砌强度校核

4.1.6 算例分析

4.1.7 对比验证

4.2 直墙拱隧道衬砌内力计算

4.2.1 理论模型建立

4.2.2 对比验证

4.3 本章小结

5 考虑黄土蠕变的隧道围岩变形控制及应用

5.1 工程概况

5.1.1 工程地质条件

5.1.2 设计施工概况

5.2 现场监测方案

5.2.1 主要监测内容

5.2.2 现场监测方法

5.2.3 现场监测断面

5.3 支护结构荷载传递规律及稳定性评价

5.3.1 初期支护受力分析

5.3.2 二次衬砌荷载传递规律分析

5.3.3 规范方法进行稳定性分析

5.3.4 考虑蠕变的支护结构稳定性分析

5.4 围岩变形规律及影响因素分析

5.4.1 黄土隧道变形主要影响因素

5.4.2 唐家塬隧道围岩变形规律

5.

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

致 谢

参考文献