连拱隧道关键技术问题的模型试验及三维仿真模拟

摘要

我国在高等级公路的建设中，在特殊地质及地形条件的地区，为获得良好的技术经济效果，大量选择了连拱隧道方案。但我国已建成的连拱隧道的数量较少，缺乏可借鉴的设计施工经验。日本及欧美等公路隧道修建技术发达的国家，连拱隧道出现的历史较我国要长，已有相当的设计施工经验。本文在综合分析当前连拱隧道发展的基础上，依托地下系在研的重大科研项目《连拱隧道关键技术问题的研究》，以云南省思-小高速公路工程两座在建的连拱隧道为实际背景，进行了室内的平面模型试验。平面模型试验采用了1：100的大几何比例尺模型，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现了在弹性范围内控制各物理力学参数的全相似性。本文根据工程背景的主要地质条件，确定采用水平岩层的岩体结构，模拟导洞和连拱隧道的开挖工况，考虑地形的偏压作用等条件，并分别采用无结构衬砌和有结构衬砌两种模型进行了8次试验。以模型试验相似比理论为基础，本文针对8.30和9.5两次试验，详细分析了模型试验所得到的量测数据。同时与模型试验相对应，本文进行了隧道开挖的计算机三维数值仿真模拟，并对计算结果进行了详细地分析。同时，与模型试验的量测结果进行对比验证，表明结果的可信性。最后，在以下几个方面进行总结和归纳，得出了一些有价值的结论：(1) 由于开挖而引起的连拱隧道周围围岩应力变化规律；(2) 偏压作用下连拱隧道周围围岩应力变化规律；(3) 由于地面超载而引起的连拱隧道周围围岩应力变化规律；(4) 确定围岩压力的大小以及分布规律；(5) 根据摄影测量所得的位移场的基本规律。关键词：连拱隧道 模型试验 围岩压力 仿真模拟

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第1章绪论

1.1概述

1.2研究背景

1.3国外连拱隧道工程的发展现状

1.4 国内外针对连拱隧道主要采用的研究方法

1.4.1理论、经验信息研究

1.4.2模型试验

1.4.3计算机模拟

1.4.4现场原型试验

1.4.5综合方法

1.5研究的目的、方法、内容及要求

1.5.1试验的目的

1.5.2本文的研究方法

1.5.3本文的研究内容和要求

1.6拟解决的关键技术及试验的实际应用价值

1.6.1拟解决的关键技术

1.6.2试验的实际应用价值

第2章模型试验的理论及设计

2.1相似关系的建立

2.1.1相似第一定理

2.1.2相似第二定理(Ⅱ定理)

2.2试验设计

2.2.1相似条件设计

2.2.2模型范围及模型尺寸

2.2.3材料设计

2.2.4试验台架设计

2.3开挖方式以及开挖方案设计

2.3.1开挖方式

2.3.2开挖方案设计

2.4量测设备

2.4.1数据采集设备

2.4.2应力量测

2.4.3应变量测

2.4.4位移量测

2.5模型材料配比试验以及模型浇筑

2.5.1主体材料的选择

2.5.2衬砌结构的选择与制作

2.5.3模型的浇筑

2.5.4模型的养护

2.5.5量测测点布置

2.6试验历程

第3章模型试验结论及分析

3.1模型试验数据的基本规律

3.1.1 8.30直墙连拱隧道模型试验

3.1.2 9.5双圆连拱隧道模型试验

3.2模型试验的主要结论

3.2.1 8.30直墙连拱隧道模型试验

3.2.2 9.5双圆连拱隧道模型试验

3.3围岩压力的评价

3.3.1无偏压试验

3.3.2有偏压试验

3.4数码摄影测量的方法的基本原理及结果

3.4.1数码摄影测量方法的基本原理

3.4.2模型试验中数码摄影测量的结果分析

第4章数值计算原理及计算方法

4.1概述

4.2快速拉格朗日差分法

4.2.1连续介质快速拉格朗日分析程序与拉格朗日元概述

4.2.2对连续介质快速拉格朗日分析程序的三维推广及其特点

4.2.3连续介质快速拉格朗日分析程序基本理论与算法

4.2.4连续介质快速拉格朗日分析程序在三维问题中的修正

4.2.5几何非线性问题的连续介质快速拉格朗日分析程序描述

4.3.Mohr-Coulomb弹塑性模型简介

4.3.1弹性-理想塑性材料的力学行为

4.3.2 Mohr-Coulmb模型的描述

第5章仿真计算结果与分析

5.1数值计算概况

5.2数值计算分析的条件

5.3数值计算方案

5.4三维连续介质快速拉格朗日分析数值模型的建立

5.5施工开挖方案(左右洞室同期开挖方案)

5.5.1计算条件

5.5.2计算结果图表

5.5.3洞室周围特征点位移及应力

5.5.4计算结果分析

第6章结论与展望

6.1模型试验与三维仿真结果的对比

6.2主要结论

6.3进一步要做的工作

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果