大断面铁路隧道洞门结构土压力的计算分析及研究

摘要

隧道洞门是隧道的组成部分，隧道洞门的结构土压力是决定隧道洞门设计的主要因素之一。以库伦土压力理论和郎肯土压力理论为土压力计算方法的起源，发展至今，土压力的计算方法丰富多彩。然而，这些土压力的计算方法无论是有限挡土墙的计算理论还是无限挡土墙的计算理论，如若用于计算隧道的洞门土压力，均会有较大的误差。现行铁路隧道规范中采用的乌氏土压力计算方法所计算得出的结论会比实际的洞门土压力大，因此，以此为设计依据会使得洞门的设计偏于保守。为得到更为符合实际土压力情况的土压力计算公式，本文采用有限元分析的方法对大断面的铁路隧道洞门结构土压力进行研究。主要研究工作如下:
　　首先，采用有限元软件ABAQUS建立了三维大断面隧道及其洞门的有限元模型，考虑了隧道洞门—隧道衬砌—墙后土体三者之间的相互影响，得出了在各级围岩下大断面隧道洞门土压力的大小及分布形式，并总结出了大断面隧道洞门土压力分布的特点。
　　其次，对洞门土压力的影响因素中，分别对土的弹性模量E及土的泊松比v进行了分析，并得出两者分别对洞门墙后土压力大小及分布形式的影响及土压力大小及分布随两者的变化趋势。
　　再次，建立小断面隧道及其洞门的三维有限元模型，考虑了隧道洞门—隧道衬砌—墙后土体三者之间的相互影响，得到小断面隧道洞门土压力的大小及分布形式。将大、小断面隧道洞门土压力的大小及分布形式进行比较，得出两者之间的异同点，并证实隧道洞门土压力的大小及分布形式与隧道洞门的断面尺寸以及隧道洞门墙的宽度均有关系。
　　最后，经过以上对大断面隧道洞门土压力的研究，对现行铁路隧道规范中洞门土压力的计算公式（即乌氏土压力理论计算公式）进行修正，提出修正系数表达式，以得到更符合实际的隧道洞门土压力计算结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 土压力计算方法研究发展与现状

1．3 课题研究目的及主要研究内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 拟解决的关键问题

1．4 研究思路与研究方法以及技术路线

1．4．1 研究思路与方法

1．4．2 技术路线

第2章 土压力计算方法

2．1 引言

2．2 库仑土压力理论

2．2．1 基本概念

2．2．2 基本假设

2．2．3 主动土压力计算

2．2．4 库仑土压力理论的缺陷

2．3 朗肯土压力理论

2．3．1 基本概念

2．3．2 基本假设

2．3．3 主动土压力计算

2．3．4 朗肯土压力理论的缺陷

2．4 极限分析的上、下限法

2．4．1 基本概念

2．4．2 基本假设

2．4．3 主动土压力的上限计算

2．4．4 极限分析的上、下限法的缺陷

2．5 空间土压力计算理论

2．5．1 基本概念

2．5．3 基本假设

2．5．3 主动土压力计算

2．5．4 空间土压力计算理论的缺陷

2．6 本章小结

第3章 大断面隧道洞门土压力的有限元分析

3．1 引言

3．2 隧道洞门的类型及断面尺寸

3．2．1 隧道洞门构造形式

3．2．2 隧道洞门尺寸

3．3 三维大断面隧道有限元模型介绍

3．3．1 模型尺寸

3．3．2 模型参数

3．4 计算结果

3．4．1 各级围岩情况下墙背土压力分布

3．4．2 弹性模量E和泊松比V对土压力分布及大小的影响

3．5 大小断面铁路隧道洞门土压力大小及分布的特点

3．6 本章小结

第4章 大断面隧道洞门土压力的计算方法

4．1 引言

4．2 乌氏土压力理论

4．2．1 基本概念

4．2．2 基本假设

4．2．3 主动土压力计算

4．2．4 乌氏土压力理论的局限

4．3 修正系数

4．3．1 土的摩擦角与修正系数的关系

4．3．2 土压力修正系数的确定

4．4 隧道洞门土压力计算公式

4．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文