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深埋地铁隧道功能梯度衬砌力学特性与设计方法研究
| 论文题名： | 深埋地铁隧道功能梯度衬砌力学特性与设计方法研究 |
| 关键词： | 地铁隧道;衬砌结构;功能梯度;弹塑性力学特性 |
| 摘要： | 随着城市化进程的不断推进，深部地下空间的开发逐渐成为一种趋势。对于深埋地铁隧道，由于荷载的增加，衬砌对自身的变形、防水等要求提高，因此成本也会随之增高。为了减少成本，并且能够使其在高压环境下满足强度和防水等要求，将功能梯度的设计理念引入到地铁隧道衬砌设计中。本文通过理论分析和数值模拟对功能梯度衬砌的弹塑性力学特性进行研究，并提出了设计方法。主要研究成果包括以下3个方面。 （1）建立了特定弹性模量函数下功能梯度衬砌弯矩和径向位移的理论求解模型，适用于t/R≤0.2的圆筒结构。研究表明：荷载不均匀系数?对衬砌内力和变形的影响要远大于弹性模量函数参数a和b的影响；在λ＜1的情况下，若两组参数a1=b2，a2=b1，当弹性模量参数a＞b时，功能梯度衬砌的最大变形较小；另外，a和b的改变不影响衬砌内力分布模式和变形模式。最后通过数值模拟验证，发现理论分析与数值模拟结果在最大变形处相差8%左右。 （2）建立了功能梯度衬砌在考虑以及不考虑与周围土体相互作用的通用计算模型，研究参数a、b和厚度参数λt?对衬砌弹性力学特性的影响。结果表明：两弹性模量函数中的参数a和b不影响衬砌内力分布模式和变形模式，幂指数n对其力学特性影响微弱，可将其固定为1；和理论研究的结论相同，当弹性模量参数设置a＞b时，功能梯度衬砌最大变形较小，并且弹性模量函数②在减小衬砌变形方面具有更大的优越性。另外，厚度参数λt对功能梯度衬砌力学特性的影响要远远大于弹性模量参数，因此得出功能梯度衬砌的设计思路：如果给定最大标号的混凝土，首先通过增大厚度来降低功能梯度衬砌的内力和变形，然后通过调整弹性模量参数来降低衬砌部分位置的混凝土标号，从而达到降低成本的目的。 （3）建立均质衬砌的弹塑性模型，然后根据均质衬砌的破坏特性确定功能梯度衬砌的弹性模量分布形式，从而建立功能梯度衬砌的弹塑性模型，最终得到功能梯度衬砌的设计方法：当选择函数①时，功能梯度衬砌在Ⅳ区域配置均质衬砌的混凝土标号，Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ区域的混凝土标号依次降低，选用相邻的混凝土标号；当选择函数②时，功能梯度衬砌在Ⅰ区域配置均质衬砌的混凝土标号，Ⅱ区域的混凝土可降低三个标号。经济性对比分析表明：采用函数①的功能梯度衬砌具有更显著的经济性，但采用函数②的功能梯度衬砌更方便施工；两者相比均质衬砌，材料成本可降低5.6%~9.1%。 |
| 作者： | 张通通 |
| 专业： | 岩土工程 |
| 导师： | 崔振东 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国矿业大学(江苏) |
| 学位年度： | 2021 |
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