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南京长江隧道超大断面管片衬砌结构相似模型试验与数值分析

作　者: 杨雄
导　师: 何川
学　校: 西南交通大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 超大断面盾构隧道高水压模型试验管片衬砌结构计算分析
分类号: U455.91
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 347次
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内容摘要

盾构法隧道已广泛应用于城市地下铁道建设，城市建设中的大断面、高水压、长距离盾构掘进成为迫切需要解决的课题。论文以南京长江隧道φ14.5m的超大断面管片衬砌结构为对象，采用几何相似比C_L=25、容重相似比C_γ=1为基础相似比的室内相似模型试验和管片结构数值模拟为研究手段，研究不同管片拼装方式在不同水、土压作用下的力学特征及高水压条件下单层管片衬砌的破坏形态特征。模型试验研发了非均匀水压装置，水压加载考虑为隧道顶部的均匀水压、管片衬砌结构自身尺寸产生的非均匀水压的联合作用，实现了模型试验加载中水、土压的分别控制，为深入研究水、土压对管片衬砌的作用提供了重要支撑。本文主要研究的内容如下：(1)根据各控制工况提供的计算条件，对不同拼装方式下的管片衬砌结构进行数值模拟，得到控制设计的内力值和变形值，同时验证模型试验结果的准确性。(2)试验研究隧道顶部不同水压下管片衬砌结构的力学特征及变化规律。(3)试验研究不同覆土高度、不同侧压力系数的土压力对管片结构的作用，分析地层条件对管片衬砌结构的影响。(4)综合比较七种拼装方式下衬砌在各工况的力学特点，研究不同拼装方式管片衬砌的力学特征，选择出最优拼装方式。(5)在50m高水压条件下对管片衬砌结构进行加载破坏试验，获得计算模拟不能表征的破坏形态。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-22
  1.1 盾构隧道的发展概况  9-10
  1.2 问题的提出  10-13
  1.3 国内外研究现状  13-15
  1.4 研究对象及依托工程背景  15-20
    1.4.1 工程概况  15-16
    1.4.2 地层参数  16-18
    1.4.3 研究对象  18-20
  1.5 研究手段与研究目的  20-22
    1.5.1 研究手段  20-21
    1.5.2 研究目的  21-22
第2章相似模型试验  22-52
  2.1 相似关系理论  22-25
    2.1.1 相似第一定理  22-24
    2.1.2 相似第二定理(∏定理)  24-25
  2.2 试验物理量相似比关系  25
  2.3 模型相似材料与设计  25-30
    2.3.1 地层材料的配制  25-26
    2.3.2 管片衬砌材料的配制  26-27
    2.3.3 注浆材料的配制  27
    2.3.4 管片衬砌环向主筋的模拟  27-28
    2.3.5 接头的模拟  28-30
  2.4 模型制作流程  30-32
  2.5 水压装置的研制  32-44
    2.5.1 均匀水压装置  33-34
    2.5.2 非均匀水压装置  34-44
  2.6 试验测点布置  44-45
  2.7 试验装置  45-47
    2.7.1 加载装置  45-46
    2.7.2 数据采集装置  46-47
  2.8 试验分组  47-51
    2.8.1 不同管片拼装方式  47-49
    2.8.2 无水压与有水压  49-50
    2.8.3 不同侧压力系数  50-51
  2.9 本章小结  51-52
第3章盾构隧道管片衬砌计算理论与数值模拟  52-69
  3.1 盾构隧道衬砌结构计算方法  52-54
    3.1.1 (修正)惯用法  53
    3.1.2 多铰圆环法  53-54
    3.1.3 梁—弹簧模型法  54
  3.2 盾构隧道衬砌结构计算荷载  54-56
    3.2.1 垂直土压力和水平土压力  55-56
    3.2.2 水压力  56
    3.2.3 自重  56
    3.2.4 地基抗力  56
  3.3 衬砌结构的作用关系  56-59
    3.3.1 管片之间的相互作用  56-58
    3.3.2 管片与周围土体的相互作用  58-59
  3.4 衬砌结构的力学模型  59-61
    3.4.1 接头模型  59-61
    3.4.2 衬砌模型  61
  3.5 数值模拟与结果  61-67
    3.5.1 荷载模式  61
    3.5.2 计算对象  61
    3.5.3 计算断面  61-63
    3.5.4 计算结果  63-67
  3.6 本章小结  67-69
第4章高水压条件下大型盾构隧道管片衬砌结构力学特征分析  69-90
  4.1 不同拼装方式对内力的影响  69-74
    4.1.1 通缝拼装与错缝拼装的对比  69-73
    4.1.2 不同错缝拼装的对比  73-74
  4.2 土压力对管片衬砌内力的影响  74-78
    4.2.1 不同覆土高度下管片衬砌的力学特征  74-76
    4.2.2 不同土体侧压力系数下管片衬砌力学特征  76-78
  4.3 水压力对管片衬砌内力的影响  78-81
    4.3.1 不同水压条件下管片衬砌的力学特征  78-79
    4.3.2 高水压条件下管片衬砌的力学特征  79-80
    4.3.3 均匀水压与非均匀水压加载下管片衬砌的力学特征  80-81
  4.4 透水地层与非透水地层加载试验结果对比  81-84
  4.5 高水压条件下管片衬砌结构破坏荷载及破坏特征  84-88
  4.6 数值模拟结果与模型试验结果对比  88-89
  4.7 本章小结  89-90
结论  90-92
致谢  92-93
参考文献  93-97
攻读硕士期间发表论文情况  97
攻读硕士期间参与科研项目  97

南京长江隧道超大断面管片衬砌结构相似模型试验与数值分析

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