公路隧道围岩稳定性和单层衬砌力学机理的数值模拟研究

摘要

随着我国高等级公路建设的迅速发展，公路隧道也日益增多。隧道开挖后，洞周围岩发生应力重分布，对于不同地质和受力条件下的隧道，围岩表现出不同的稳定性。根据围岩既是荷载的来源同时又是承载体的认识，所以分析围岩稳定性的意义十分重要。 单层衬砌是一个力学概念的反映，即不设隔离层衬砌的总称，其力学动态是一体的。国外单层衬砌结构的运用已有30多年的历史了，其中挪威是使用单层衬砌较早的国家。自单层衬砌兴起以来，得到了越来越多国家的认可，其应用范围扩大到了世界上许多国家。在国内，单层衬砌支护形式在隧道中的应用还很有限，其中在部分铁路隧道中有所应用，但是在公路隧道中的应用还寥寥无几，因此在公路隧道中的研究势在必行。 本文以重庆市S103线渝巴路南岸区茶园至涪陵区李渡段二级公路改建工程关长山隧道为依托，分别基于应力集中系数方法和松动圈理论分析了洞室开挖后的围岩稳定性，最后利用接触原理研究了单层衬砌支护采用分层喷射工法施工条件下两层混凝土之间的受力性能。第3章分析了应力集中系数的影响因素，探讨了该系数随侧压力系数和洞室埋深的变化规律，并给出了断面优化的建议。第4章分析了洞室开挖后围岩松动圈的影响因素，并研究了其变化规律。第5章研究了隧道两层喷射混凝土先后施作条件下，二者之间的受力性能。最后通过现场测试结果分析了关长山隧道试验段的单层衬砌力学性能。 研究得出了如下结论：1)、其他条件不变时，洞室围岩的应力集中系数随侧压力系数增大而增大：2)、当围岩较好时，埋深对隧道开挖后围岩的应力集中影响较小，当围岩变得较差时，埋深对隧道开挖后围岩的应力集中影响较大。3)、随着隧道跨度的增加，洞室开挖后其应力集中现象更加凸显。4)、当其他条件不变时，随着埋深的增加，松动圈的范围逐渐增大，松动圈厚度逐渐增加。5)、单层衬砌的两层喷混凝土之间可以充分传递剪力，单层衬砌的受力为组合梁模式。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1隧道围岩稳定性分析概述

1.2隧道单层衬砌支护结构概述

1.2.1单层衬砌的概念

1.2.2单层衬砌的结构形式

1.3国内外现状分析

1.3.1隧道围岩稳定性分析研究现状

1.3.2单层衬砌研究现状

1.4本文的研究问题及研究方法

1.4.1研究问题

1.4.2研究方法

第2章有限元计算理论

2.1有限元模型的建立

2.1.1围岩的力学模型

2.1.2衬砌的力学模型

2.2弹塑性分析基本原理

2.2.1弹塑性分析的平衡方程与几何方程

2.2.2塑性状态下材料的本构关系

2.3非线性有限元分析简介

2.3.1材料非线性

2.3.2接触非线性

2.4屈服破坏准则

第3章基于应力集中系数的隧道围岩稳定性分析

3.1应力集中系数的概念及计算理论

3.1.1应力集中系数的概念

3.1.2有限元计算采用的屈服准则

3.2应力集中系数的影响因素研究

3.2.1应力集中系数与侧压力系数的关系

3.2.2应力集中系数与洞室埋深的关系

3.2.3应力集中系数与洞室跨度的关系

3.3小结

第4章基于松动圈理论的隧道围岩稳定性分析

4.1围岩松动圈理论概述

4.1.1围岩松动圈介绍

4.1.2围岩松动圈分类

4.1.3围岩松动圈的确定

4.2计算模型

4.3围岩松动圈的影响因素研究

4.3.1侧压力系数对松动圈形态的影响研究

4.3.2隧道埋深对松动圈的影响研究

4.4小结

第5章单层衬砌支护结构的力学分析及现场测试

5.1工程概况

5.1.1地理位置及地形地貌

5.1.2工程地质及水文地质概况

5.1.3隧道洞身围岩的分级

5.1.4单层衬砌设计参数

5.2单层衬砌支护结构的力学仿真分析

5.2.1接触问题简介

5.2.2分部开挖原理介绍

5.2.3计算模型及假定

5.2.4结果分析

5.3工点的松动圈计算分析

5.4单层衬砌支护力学特性的现场测试

5.4.1现场单层衬砌测试简介

5.4.2现场测试结果

5.5小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与科研项目