【摘要】：我國西北和華北地區(qū)被大面積黃土地層覆蓋,隨著我國公路與鐵路隧道的大量修建,越來越多的隧道穿越黃土地層。在黃土地層中開挖隧道時(shí),由于黃土具有強(qiáng)度低,遇水軟化產(chǎn)生濕陷性或膨脹性等特點(diǎn),隧道開挖后往往會(huì)出現(xiàn)圍巖大變形、初期支護(hù)破壞,甚至隧道塌方等現(xiàn)象。這些災(zāi)害已經(jīng)嚴(yán)重制約了我國交通、水利水電等工程安全建設(shè)和運(yùn)營(yíng),同時(shí)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,對(duì)社會(huì)造成負(fù)面影響。因此,開展黃土隧道在開挖擾動(dòng)下的變形塌方全過程數(shù)值模擬及支護(hù)力學(xué)特性研究,對(duì)于分析隧道塌方誘因并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,確保隧道穩(wěn)定性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)工程意義、社會(huì)意義。本文以山西太興鐵路黃土隧道工程為背景,采用數(shù)值模擬和理論分析方法,并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)隧道大變形演化過程及支護(hù)力學(xué)行為進(jìn)行研究,本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:(1)基于流形覆蓋思想,建立重心插值試函數(shù),采用固定歐拉背景網(wǎng)格和移動(dòng)材料點(diǎn)雙重離散方法,以材料粒子作為網(wǎng)格積分點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了用連續(xù)模擬非連續(xù)破壞過程的大變形數(shù)值模擬方法,即重心插值的流形覆蓋拉格朗日積分點(diǎn)法。該方法由于采用歐拉網(wǎng)格作為背景積分網(wǎng)格,通過粒子在網(wǎng)格間的運(yùn)動(dòng)描述宏觀物體的變形行為,避免了大變形計(jì)算過程中網(wǎng)格發(fā)生畸變導(dǎo)致計(jì)算終止,且材料粒子可以在所設(shè)定的區(qū)域內(nèi)無限制地進(jìn)行運(yùn)算,適合模擬巖土工程中的大變形和塌方問題。(2)采用復(fù)變函數(shù)方法,并結(jié)合摩爾-庫倫塑性判據(jù),推導(dǎo)得到了非圓形隧道開挖后的彈塑性兩段式圍巖特征曲線。以一馬蹄形隧道為例,采用復(fù)合形法對(duì)隧道洞形進(jìn)行保角映射,得到了該馬蹄形隧道的彈塑性圍巖特征曲線表達(dá)式,并采用FLAC數(shù)值模擬方法對(duì)本文推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。(3)將錨桿作為圍巖共同承載體系的一部分,基于隧道開挖彈塑性力學(xué)解析解,考慮錨桿長(zhǎng)度和支護(hù)間距等因素,通過均勻化方法,推導(dǎo)了錨桿加固作用下的圓形隧道復(fù)合巖體圍巖特征曲線解析解。將所推導(dǎo)的解析解與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果吻合良好。(4)針對(duì)黃土隧道在降雨作用下發(fā)生塌方與支護(hù)破壞的問題,提出適用于該黃土隧道的“鋼拱架+鋼格柵+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)方式。利用彈性薄殼理論建立了聯(lián)合支護(hù)的力學(xué)分析模型,并引入等效截面法得到了聯(lián)合支護(hù)體系的受力分配模式及支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度與最大支護(hù)力的等效計(jì)算方法。(5)在前述理論研究基礎(chǔ)上,以山西太興鐵路小河溝隧道為工程背景,采用本文提出的重心插值的流形覆蓋拉格朗日積分點(diǎn)法再現(xiàn)了隧道洞口邊坡及隧道內(nèi)部斷面塌方過程,從理論角度解釋了該隧道原始初期支護(hù)發(fā)生破壞的原因。同時(shí)工程應(yīng)用表明,與原始“鋼拱架+噴射混凝土”支護(hù)方式相比,本文提出的“鋼拱架+鋼格柵+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)方式在膨脹性黃土隧道中更具優(yōu)勢(shì),充分發(fā)揮了不同材料的承載特性,保證了隧道的穩(wěn)定性。本文研究?jī)?nèi)容為隧道大變形數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn),黃土隧道支護(hù)措施及力學(xué)特性分析提供了新的方法,對(duì)于黃土隧道施工及支護(hù)具有重要的參考借鑒意義。
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山東大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑圖１．１隧道大變形逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｌａｒｇｅ邋ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｕｎｎｅｌ逡逑ｍｍ逡逑圖１．２隧道掌子面塌方逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｕｎｎｅｌ邋ｆａｃｅ邋ｃｏｌｌａｐｓｅ逡逑黃土是一種多孔隙、弱膠結(jié)的第四紀(jì)沉積物，廣泛分布于亞洲、歐洲北美和逡逑南美等地ｍ“４］，面積約占地球陸地總面積的９．８％。我國西北和華北地區(qū)被大面逡逑積黃土地層覆蓋，隨著我國公路與鐵路隧道的大量修建，越來越多的隧道穿越黃逡逑土地層ｉ１Ｗ６］。在黃土地層中開挖隧道時(shí)，由于黃土具有強(qiáng)度低，遇水軟化產(chǎn)生濕逡逑陷性或膨脹性等特點(diǎn)，隧道開挖后往往會(huì)出現(xiàn)圍巖大變形、初期支護(hù)破壞，甚至逡逑隧道塌方等現(xiàn)象。因此，有必要開展黃土隧道在開挖擾動(dòng)下的力學(xué)特性及支護(hù)措逡逑施研究。逡逑目前，黃土隧道及地下工程圍巖大變形問題在數(shù)值模擬、理論研究和工程實(shí)逡逑踐方面均存在一些不足

子對(duì)不同材料進(jìn)行離散，材料的屬性存儲(chǔ)在粒子上。該離散方法源于等離子體研逡逑究中的ＰＩＣ方法。計(jì)算過程中，背景網(wǎng)格固定不動(dòng)，粒子作為傳遞材料物理信息逡逑的主要媒介。圖２．２描述了積分單元與材料粒子的雙重離散，歐拉背景網(wǎng)格下粒逡逑子的運(yùn)動(dòng)過程。由于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和材料點(diǎn)的離散性，該方法同時(shí)具有歐拉網(wǎng)格有限逡逑元法計(jì)算大變形的能力，也具有拉格朗日網(wǎng)格有限元法追蹤內(nèi)部變量的能力。逡逑—邐邐邋？邋Ｊ邋：：：：：：：：：：：：逡逑邐邋－＇－Ｗ邐＊邋－邋＊邋邐邐邋？邋？逡逑Ｂ邋：”：”Ｔ邐，，邐￣邋；．：：：：邋：：＾ｒ逡逑＂Ｚｔ邋Ｚ邋ｔｉｌｔ邋Ｉｔ邋２１邐邐邐邐邋費(fèi)費(fèi)廧費(fèi)備祭逡逑邐．．．．邐■邐－邐－邐＿＿邋砝邋￡邋Ｓ邋余邋＾邋－ｉ邋軟邋＜ｃ邋ｇ邋￥邋ｆｅ邋邐邋？邋？邐＆邋＆邋§；邋ｇ邋途在邋＃：邋．＆逡逑二邐邐邋一ｆｌｆｌｆＴｆｌＪＵＩ一邋一！一逡逑ｖｌ．ｖ２邐祭……＾邋…逡逑邐邐—邐邐邋一邋－－邐－邐＃－邋－ｇ－邐＾邋＾邋一邐一邋泫珍夸邋＃邋．令銨科U氬澹紓誨澹邋宥嶙儒義賢跡玻才防竦ピ氬牧狹Ｗ擁乃乩肷㈠義希疲椋紓玻插澹裕瑁邋澹洌酰幔戾澹洌椋螅悖潁澹簦邋澹錚駑澹牛酰歟澹蟈澹紓潁椋溴澹澹歟澹恚澹睿翦澹幔睿溴澹恚幔簦澹潁椋幔戾澹穡幔潁簦椋悖歟澹簀義希玻玻沉饜胃哺塹募負(fù)蚊枋鲇?xùn)V院義狹饜胃哺竅低車母拍罾醋雜謔盜饜畏椒�，该系统訅匌学覆竼芡五d碭哺槍插義賢緯傘Ｎ侍獾那蠼庥蠐晌錮碭哺嵌ㄒ�，数学覆盖用诱V⒒智潁乖焓院義鮮獾募撲憔韌【鲇謔Ц哺塹氖杳艸潭�。有限元方法是琉愇覆盖方法辶x系囊恢痔厥廡問

本文編號(hào)：2637226