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长锚杆控制隧道围岩变形研究

作　者: 陈蓓
导　师: 谢飞鸿
学　校: 兰州交通大学
专　业: 岩土工程
关键词: 隧道工程长锚杆支护 ANSYS数值模拟
分类号: U451.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

长锚杆对隧道围岩的作用研究与数值模拟变形控制研究具有现实的工程应用价值。锚杆设置等加固措施的主要目的是增强围岩薄弱层面的抗剪性能,延缓或抑制层间错动,提高结构的稳定性和安全性。但在支护工程过程中,还普遍存在三个问题：一是支护结构的安全系数过大,过于保守,造成资源及经济上的浪费；二是支护结构安全系数偏小,起不到良好的支护效果,且不安全；三是缺乏研究数据,没有规律对支护技术提供参考。因此,使得本论文的研究有了重要的意义。本文分别对锚固设计方法和有限元法进行了详细的阐述,在此基础上设计了长锚杆控制的对比工况以及详细描述了长锚杆的施作工艺,并讨论了围绕隧道支护开展模拟的力学模型的选用,应用大型通用有限元分析软件ANSYS进行长锚杆控制围岩变形的数值模拟仿真研究。本文采用基于岩石力学方法的围岩—结构模型进行内力和变形分析,同时可得出围岩开挖后的应力状态、洞周变形以及锚杆轴力等,从而可判断锚杆支护参数的选择是否合理,能否满足围岩开挖后洞室是稳定的,以确保隧道及地下工程施工安全进行。根据本文依托的实际工程的工程概况,建立和其相对应的隧道纵断面模型,分别进行锚杆长度对比工况模拟研究。锚杆长度分别为4m、6m、8m,对三种工况下数值模拟所取得的结果进行比较分析。通过ANSYS对三种工况的数值模拟,得到：27根4m锚杆控制拱顶最大变形量为28.02cm,27根6m锚杆控制拱顶最大变形量为24cm,18根8m锚杆控制拱顶最大变形量为18.33cm,可见,18根8m锚杆控制变形最有效：并得到锚杆水平布置时,部分锚杆轴力呈单峰变化规律。同时,对不同埋深及围岩下三种工况的支护效果进行模拟,得到8m锚杆的支护效果均优于4m锚杆和6m锚杆的支护效果。通过理论的研究和模拟数据的对比分析,针对具体地形以及隧道围岩的力学性质等因素优化锚杆设置,对于软弱围岩隧道,长锚杆的设置对围岩的加固效果优于普通锚杆设置,为实际的支护工程以及今后进一步的支护研究提供参考数据,具有实际工程应用价值。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 前言  10-11
  1.2 岩土锚固研究的发展现状及当前存在的问题  11-15
    1.2.1 国内外锚固应用发展状况  11-12
    1.2.2 国内外锚固理论研究状况  12-14
    1.2.3 该领域存在的问题  14-15
  1.3 本文研究内容和方法  15-16
  1.4 小结  16-18
2 隧道锚固设计及结构设计方法  18-33
  2.1 隧道工程的锚固设计方法  18-24
    2.1.1 经验法  18-21
    2.1.2 分析计算法设计  21
    2.1.3 监控法设计  21-24
  2.2 锚杆加固岩体隧道作用机理  24-26
    2.2.1 隧道工程支护结构的类型及基本要求  24-25
    2.2.2 锚喷支护参数的选用原则  25
    2.2.3 锚杆的支护机理  25-26
  2.3 隧道工程结构设计方法  26-32
    2.3.1 隧道工程设计分析力学模型  26-27
    2.3.2 工程类比法  27-28
    2.3.3 荷载—结构法  28-30
    2.3.4 围岩—结构法  30-32
  2.4 小结  32-33
3 ANSYS有限元法简介  33-43
  3.1 ANSYS软件简介  33-36
    3.1.1 ANSYS软件在计算机辅助工程中的地位  33
    3.1.2 ANSYS软件的主要技术特点  33-34
    3.1.3 ANSYS软件的主要功能  34-35
    3.1.4 ANSYS软件在隧道工程中的应用概况  35-36
  3.2 有限元法原理  36-40
    3.2.1 弹性力学基本方程  36-37
    3.2.2 变分法  37-38
    3.2.3 加权余量法  38-39
    3.2.4 瑞利—理兹法  39-40
  3.3 有限元理论基本思想  40-42
  3.4 小结  42-43
4 长锚杆锚固设计的工况及现场量测  43-58
  4.1 工程概况  43-47
    4.1.1 自然地理概况  43
    4.1.2 工程地质特征  43-45
    4.1.3 水文地质特征  45
    4.1.4 不良地质  45-46
    4.1.5 隧道工程地质条件  46-47
  4.2 设计对比工况研究  47-54
    4.2.1 长锚杆工况方案  47-48
    4.2.2 长锚杆施作工艺  48-54
  4.3 现场量测数据  54-57
    4.3.1 现场量测项目  54-56
    4.3.2 量测数据处理  56-57
  4.4 小结  57-58
5 隧道围岩锚固效果数值模拟计算  58-81
  5.1 ANSYS数值建模  58-64
    5.1.1 力学模型的选择  58-59
    5.1.2 实体单元有限元解析  59-62
    5.1.3 模型的建立  62-64
  5.2. 基于模型的计算分析  64-76
    5.2.1 计算结果及分析  64-75
    5.2.2 结论  75-76
  5.3 长锚杆锚固效果定量分析  76-79
  5.4 数值模拟结果应用中应注意的问题  79-80
    5.4.1 模型误差的基本类型  79-80
    5.4.2 岩体破坏的相对性  80
  5.5 小结  80-81
6 结论与展望  81-83
  6.1 结论  81
  6.2 展望  81-83
致谢  83-84
参考文献  84-86
攻读学位期间的研究成果  86

长锚杆控制隧道围岩变形研究

内容摘要

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