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原文传递黄土隧洞稳定性影响因素的数值模拟研究

论文题名：	黄土隧洞稳定性影响因素的数值模拟研究
关键词：	黄土隧洞;有限元强度折减法;安全系数;稳定性;数值模拟
摘要：	近几十年来,随着科学技术的进步和建设事业的发展,大型企业和市政设施的地下工程系统日益增多,在水利电力、交通运输、矿山开采以及军事工程等方面修建了大量的、规模巨大的地下洞室。传统的地下洞室及其它岩土工程的设计和施工是根据经验来进行的,由于只能对围岩稳定性进行定性的评价,而无法给出一个定量的评判标准,使得设计无所遵循。本文将强度折减法应用于均质土体隧洞的稳定性分析中,主要研究了以下内容: 　　(1)研究了岩土体材料屈服准则及其在有限元强度折减法中的应用,并对选用不同屈服准则时,隧洞围岩稳定性进行比较分析。采用摩尔-库伦屈服准则计算的安全系数小于采用线性、双曲线、指数德鲁克-普拉格准则计算的安全系数;而摩尔-库伦屈服准则下的位移量略大于德鲁克-普拉格准则下的位移。摩尔-库伦准则较德鲁克-普拉格准则保守,本文最终选用摩尔-库伦屈服准则。　　(2)介绍了有限元计算中隧洞达到极限平衡状态的三种判据,即有限元计算的收敛性、特征部位的位移突变点以及结构面塑性区贯通。并通过一个实际的例子对三种判据进行对比,采用有限元计算不收敛时的安全系数最大,采用特征部位位移突变判据时的安全系数最小。同时,特征部位位移突变判据的物理意义明确,因此,本文选用该判据为强度折减法分析隧洞围岩稳定性的有效判据。　　(3)采用有限元强度折减法分别对圆拱直墙式隧洞和圆形隧洞的破坏机理进行研究。表明浅埋隧洞围岩破坏部位在拱顶,当拱腰与地表面贯通形成破裂面时,无支护时土体在自重作用下塌落。深埋隧洞出现侧壁破裂面,拱脚处斜向上产生的塑性区与拱肩处斜向下产生的塑性区在围岩内部相互贯通。　　(4)以圆形隧洞为例,通过改变洞径、埋深等,得出一系列安全系数,并相应得到一些有意义的规律,即当圆形隧洞的埋深在3米到30米范围内变化时,相同洞径下,随着埋深的增加,安全系数逐渐减小,位移逐渐增大;同一埋深下,洞径越大,安全系数越小,位移越大。　　(5)通过改变土体弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角,得出隧洞安全系数、洞周位移量以及塑性区的变化规律。并对这四个土体力学参数对安全系数的敏感进行了分析。土体的黏聚力和内摩擦角对隧洞安全系数的影响最为敏感,为影响隧洞安全系数的主要因素,泊松比和弹性模量的影响次之,为次要因素。从土体参数对洞周位移和塑性应变的影响来看,弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角越大,洞周最大塑性应变越小、位移越小。　　(6)比较了矩形、直墙圆拱形、曲墙式以及圆形这四种断面形状隧洞的安全系数、位移、应力。圆形隧洞在拱顶拱底边墙中部受力最为均匀;曲墙式洞型拱顶拱底及边墙中部最大主应力小于圆形隧洞,但在拱肩及拱脚处最大主应力有所增大;圆拱直墙式隧洞受力与曲墙式较为类似,但在拱肩及拱脚处最大主应力进一步增大;矩形隧洞在拱顶处出现了拉应力区,并且在四个角点处的最大主应力是四种洞型中最大的,在设计及其施工中应尽量不采用该洞形。
作者：	孙国宁
专业：	岩土工程
导师：	党发宁
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西安理工大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文