承载土体中隧道开挖引起的塑性区与塌落拱范围的理论与数值分析

摘要

在城市环境中修建地铁隧道，由于受城市空间的制约，地铁隧道往往不得不从一些建筑物基础的附近穿过。地铁隧道的施工会对周边的环境产生影响，使土体产生扰动，造成建筑物基础的变形及不均匀沉降，从而影响建筑物的美观甚至使其丧失使用功能。同时，因建筑物基础上荷载的存在，与在自由地层中开挖的隧道相比其周围的塑性区域及塌落拱范围将会发生变化。分析建筑物基础上作用的荷载对隧道周围塑性区及塌落拱形状的影响，有助于分析隧道与建筑物的相互影响关系及确定隧道衬砌上作用的荷载。为此，本文进行了以下三个方面的工作。 1、利用预测自由地层中隧道开挖引起土体沉降的解析解，引入理想塑性屈服准则，得到了自由地层中隧道开挖产生塑性区范围的解析解的计算过程。分析了隧道埋深、洞径、土质参数对塑性区的影响。并与数值计算结果相比较，验证了解析计算过程的适用性。 2、在预测自由地层中隧道开挖引起土体沉降的解析解基础上叠加Boussinesq解或Mindlin解，得到了承载地层中隧道开挖产生塑性区范围的解析解的计算过程。通过理论计算及数值模拟，分析了不同荷载情况对塑性区的影响。并在此基础上给出了土体中不利于作用荷载的区域，在此区域内作用荷载将会引起隧道周边及荷载作用位置处的塑性区范围显著增加。 3、在对自由地层中隧道开挖产生的塌落拱理论分析的基础上，引入建筑物基础荷载对塌落拱的影响因素，得到了承载地层隧道塌落曲线的解析解的计算过程，对不同荷载对塌落拱的影响进行了分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1绪论

1.1选题的意义

1.2研究现状

1.2.1自由地层中隧道开挖对土体沉降影响的研究

1.2.2地铁隧道施工对邻近建筑物影响的研究

1.3研究目的与研究内容

1.4研究路线

2承载土体中隧道开挖引起土体位移和塑性区范围的解析解

2.1理论基础

2.1.1自由地层中隧道开挖引起土体位移的解析解

2.1.2地表作用集中荷载或均布荷载时的土体位移和应力

2.1.3土体内部作用集中荷载或均布荷载时土体的位移及应力

2.1.4屈服准则

2.2承载土体中隧道开挖引起土体位移的解析解

2.2.1地表作用荷载的情况

2.2.2土体中作用荷载的情况

2.3承载土体中隧道开挖引起的塑性区范围的解析解

2.3.1承载土体中隧道开挖产生的塑性区范围的解析解推导

2.3.2承载土体中隧道开挖引起的塑性区范围曲线的绘制流程

3承载土体中隧道开挖引起的塑性区域范围分析

3.1隧道埋深、洞径及土质参数对隧道周边塑性区的影响

3.1.1隧道埋深对其周边塑性区的影响

3.1.2隧道的开挖洞径对其周边塑性区的影响

3.1.3土质参数对隧道周边塑性区的影响

3.2地表作用荷载时对隧道周边塑性区的影响

3.2.1地表作用集中力时隧道周边的塑性区范围

3.2.2地表作用均布力时隧道周边的塑性区范围

3.3土体内部作用荷载时对隧道周边塑性区的影响

3.3.1土体内部作用集中力时隧道周边的塑性区范围

3.3.2土体内部作用均布力时隧道周边的塑性区范围

3.4非圆形断面隧道开挖引起的塑性区范围分析

3.4.1等效面积法

3.4.2等效面积法在求解隧道开挖引起的塑性区范围中的可行性

3.5本章小结

4.承载土体中隧道塌落拱分析

4.1自由土体中隧道塌落拱理论

4.1.2普氏塌落拱理论

4.1.2太沙基塌落拱理论

4.2承载土体中隧道塌落拱的理论分析

4.2.1承载土体中隧道塌落拱曲线的理论公式

4.2.2承载土体中隧道塌落拱曲线的绘制流程

4.2.3承载土体中隧道塌落拱曲线计算实例

5理论公式在实际工程中的应用

5.1工程背景介绍

5.2理论公式计算

5.2.1地层损失率的选取

5.2.2近似计算模型的确定

5.2.3计算参数的选取

5.2.4理论计算

5.3数值计算

5.3.1力学模型

5.3.2计算结果

5.4理论计算结果与数值计算结果对比

6结论

参考文献

作者简历