黃土隧洞穩(wěn)定性影響因素的數(shù)值模擬研究.pdf

1、近幾十年來,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,大型企業(yè)和市政設(shè)施的地下工程系統(tǒng)日益增多,在水利電力、交通運(yùn)輸、礦山開采以及軍事工程等方面修建了大量的、規(guī)模巨大的地下洞室。傳統(tǒng)的地下洞室及其它巖土工程的設(shè)計(jì)和施工是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行的,由于只能對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行定性的評(píng)價(jià),而無法給出一個(gè)定量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),使得設(shè)計(jì)無所遵循。本文將強(qiáng)度折減法應(yīng)用于均質(zhì)土體隧洞的穩(wěn)定性分析中,主要研究了以下內(nèi)容:
　　(1)研究了巖土體材料屈服準(zhǔn)則及其在有限元

2、強(qiáng)度折減法中的應(yīng)用,并對(duì)選用不同屈服準(zhǔn)則時(shí),隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行比較分析。采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則計(jì)算的安全系數(shù)小于采用線性、雙曲線、指數(shù)德魯克-普拉格準(zhǔn)則計(jì)算的安全系數(shù);而摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則下的位移量略大于德魯克-普拉格準(zhǔn)則下的位移。摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則較德魯克-普拉格準(zhǔn)則保守,本文最終選用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。
　　(2)介紹了有限元計(jì)算中隧洞達(dá)到極限平衡狀態(tài)的三種判據(jù),即有限元計(jì)算的收斂性、特征部位的位移突變點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)面塑性區(qū)貫通。并通

3、過一個(gè)實(shí)際的例子對(duì)三種判據(jù)進(jìn)行對(duì)比,采用有限元計(jì)算不收斂時(shí)的安全系數(shù)最大,采用特征部位位移突變判據(jù)時(shí)的安全系數(shù)最小。同時(shí),特征部位位移突變判據(jù)的物理意義明確,因此,本文選用該判據(jù)為強(qiáng)度折減法分析隧洞圍巖穩(wěn)定性的有效判據(jù)。
　　(3)采用有限元強(qiáng)度折減法分別對(duì)圓拱直墻式隧洞和圓形隧洞的破壞機(jī)理進(jìn)行研究。表明淺埋隧洞圍巖破壞部位在拱頂,當(dāng)拱腰與地表面貫通形成破裂面時(shí),無支護(hù)時(shí)土體在自重作用下塌落。深埋隧洞出現(xiàn)側(cè)壁破裂面,拱腳處斜向上產(chǎn)

4、生的塑性區(qū)與拱肩處斜向下產(chǎn)生的塑性區(qū)在圍巖內(nèi)部相互貫通。
　　(4)以圓形隧洞為例,通過改變洞徑、埋深等,得出一系列安全系數(shù),并相應(yīng)得到一些有意義的規(guī)律,即當(dāng)圓形隧洞的埋深在3米到30米范圍內(nèi)變化時(shí),相同洞徑下,隨著埋深的增加,安全系數(shù)逐漸減小,位移逐漸增大;同一埋深下,洞徑越大,安全系數(shù)越小,位移越大。
　　(5)通過改變土體彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角,得出隧洞安全系數(shù)、洞周位移量以及塑性區(qū)的變化規(guī)律。并對(duì)這四個(gè)土

5、體力學(xué)參數(shù)對(duì)安全系數(shù)的敏感進(jìn)行了分析。土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)隧洞安全系數(shù)的影響最為敏感,為影響隧洞安全系數(shù)的主要因素,泊松比和彈性模量的影響次之,為次要因素。從土體參數(shù)對(duì)洞周位移和塑性應(yīng)變的影響來看,彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角越大,洞周最大塑性應(yīng)變?cè)叫　⑽灰圃叫　?br>　　(6)比較了矩形、直墻圓拱形、曲墻式以及圓形這四種斷面形狀隧洞的安全系數(shù)、位移、應(yīng)力。圓形隧洞在拱頂拱底邊墻中部受力最為均勻;曲墻式洞型拱頂拱底及邊墻中部