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隧道单层衬砌结构数值模拟研究

作　者: 王红英
导　师: 张玉军
学　校: 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）
专　业: 岩土工程
关键词: 单层衬砌离散元方法节理数值模拟 UDEC
分类号: U451.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

岩土工程数值模拟计算中,一般采用基于连续介质的理论进行计算,即把岩土体看成是连续的。然而,自然中的岩体往往为众多的节理或结构面所切割,在某些情况下,岩体不能视为连续介质,特别是开挖区附近的破碎岩体,具有明显的不连续性,很难用传统处理连续介质的方法如有限元或边界元法来处理。而离散元法正是充分考虑到岩体结构的不连续性,适用于解决节理岩石力学问题。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。在隧道支护技术的发展中,单层衬砌出现较晚,是一种新型的支护形式,虽然较技术较成熟的复合衬砌而言有整体性好、减小开挖量和衬砌圬工量、节约工程造价等优点,但是单层衬砌支护结构的应用目前还存在很多问题和不明确因素,如适用范围、力学性能、关键技术等,其工程应用还是很有限。本文仅从力学方面用离散元软件UDEC分析了洞室围岩的单层衬砌支护特性。分别研究了应力释放率、节理间距、节理倾向和洞室埋深对单层衬砌支护效果的影响,并得到了如下主要结论：(1)对于破碎岩体,较大的应力释放率更容易造成洞室的失稳,洞室开挖后应及时施加衬砌,且随着应力释放率的增大支护结构的受力逐渐从拱顶向两帮传递；(2)随着节理间距的增大,岩体的力学性能趋于增大,有利于围岩的自承载,但存在敏感节理间距影响范围,当节理间距过大或者过小时,对单层衬砌结构的受力影响不大；(3)节理倾角对围岩的受力特性具有明显的影响,90°倾向节理组更容易引起拱顶冒落和片帮底鼓；(4)对于Ⅳ、V类松散岩体,洞室埋深超过120米小于60米(H≥120 m或H≤60m)时,围岩应力释放较小,支护效果较好；埋深在120米和60米之间(60 m<H<120 m)时,应力释放较大后施加支护的效果较好。最后,对工程实例-合武铁路大别山隧道二号斜井X2DK0+110-X2DK0+130段进行单层衬砌结构的数值模拟,从力学机理方面验证了单层衬砌结构在此工程实例上的可行性。本文属于探索性研究,其成果的正确与否有待评定,希望得出的结论能有一定的工程参考价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-22
  1.1 隧道单层衬砌支护结构概述  10-13
    1.1.1 单层衬砌的概念  10-11
    1.1.2 单层衬砌的结构形式  11-13
  1.2 研究现状  13-19
    1.2.1 国内外应用现状  13-15
    1.2.2 单层衬砌设计方法研究现状  15-18
    1.2.3 防水性能研究现状  18-19
  1.3 复合衬砌存在的问题  19-20
  1.4 本文的研究问题及研究方法  20-22
2 离散元计算理论  22-36
  2.1 离散元方法的基本原理  22-31
    2.1.1 概述  22-23
    2.1.2 动态松弛离散单元法  23
    2.1.3 力与位移的关系  23-24
    2.1.4 运动方程-牛顿第二定律  24-26
    2.1.5 阻尼  26-28
    2.1.6 时步  28-29
    2.1.7 离散单元法的计算机实现  29-31
  2.2 离散单元法与其他方法的比较  31
  2.3 UDEC程序简介  31-36
    2.3.1 UDEC程序介绍  31-32
    2.3.2 UDEC程序一般特性  32-34
    2.3.3 UDEC程序应用领域  34-36
3 离散单元法在隧洞开挖支护中的应用  36-69
  3.1 围岩的地应力场  36-40
    3.1.1 初始地应力场  36-38
    3.1.2 洞室开挖后的应力场  38-40
  3.2 离散元洞室开挖模拟  40-69
    3.2.1 计算模型与基本参数  42-44
    3.2.2 应力释放率对支护的影响  44-50
    3.2.3 节理间距对支护的影响  50-56
    3.2.4 节理倾角对支护的影响  56-59
    3.2.5 洞室埋深对支护的影响  59-68
    3.2.6 影响因素分析  68-69
4 工程应用实例  69-78
  4.1 工程概况  69-73
    4.1.1 工点简介  69
    4.1.2 二号斜井原设计衬砌支护参数  69-71
    4.1.3 单层衬砌设计参数  71-73
  4.2 单层衬砌支护结构模拟  73-78
5 结论  78-80
参考文献  80-84
攻读硕士学位期间参与科研项目情况  84
攻读硕士学位期间发表的论文情况  84-85
致谢  85

隧道单层衬砌结构数值模拟研究

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