详情

原文传递高填黄土复式明洞颗粒流数值分析

论文题名：	高填黄土复式明洞颗粒流数值分析
关键词：	高填黄土复式明洞;受力分析;颗粒流;数值模型
摘要：	高填黄土复式明洞因能适应黄土高原山高谷深、沟壑纵横的地形特点，又能较好的协调新建铁路选线与既有公路、铁路明洞在空间上的交叉冲突，被广泛应用在西北地区的交通路网建设中。然而，高回填又使结构长期负担过大的覆土荷载，易产生纵向裂缝，影响结构安全，合理的减载措施对其长期安全运营至关重要。EPS板作为一种有效的减载材料已经被广泛应用在高填管、涵的建设当中。本文利用颗粒流软件PFC2D建立高填黄土复式(减载)明洞数值模型，首先对复式明洞在不同洞型下的受力进行优化比选，并借鉴高填管、涵的减载经验，就EPS板对高填复式明洞的减载进行探究；同时考虑到复式明洞受左右洞室间距(D)的影响，截面跨度较大，从EPS板不同布设方式的角度研究其实际减载效果。主要的研究内容如下：　　(1)对本文开展数值模拟的工具——颗粒流软件PFC2D——的基本假定，基本概念(Domain、Ball、Wall、Contact等)、伺服原理，以及本文建模涉及的接触本构关系、细观参数标定过程进行了介绍，并通过开展数值单轴、双轴压缩试验模拟确定了模型涉及的黄土、EPS板等材料的细观参数。　　(2)以复式明洞的洞型为研究对象，利用PFC2D分别建立双矩形、双1/4拱形、双圆形、矩-圆形的高填黄土复式明洞，通过对比明洞周围竖向土压力、土体竖向位移、洞室宽度范围的平均竖向土压力、土颗粒接触力链的分布规律，比选出复式明洞的最佳洞型。分析结果表明：高覆土作用下，不同洞型的复式明洞在洞顶平面(Ⅰ-Ⅰ平面)的竖向土压力均呈M型分布，峰值均在洞室宽度范围内；洞型为双矩形时，洞室宽度范围内的竖向土压力呈两头大、中间小的马鞍型；洞型为双1/4拱形、双圆形时呈峰型，且双圆形时左右洞室的最大竖向土压力较双1/4拱形时分别增长3.8%和4.7%，竖向土压力在洞宽范围内变化更加剧烈；洞型为矩-圆形时，左右洞室承担的竖向土压力不均衡，对结构整体不利。比较不同洞型下，左右洞室的洞顶平均竖向土压力相对大小为：双矩形最大，双圆形次之，双1/4拱形最小，最终得到高填黄土复式明洞洞型采用1/4拱形为最佳。土颗粒接触力链的分布规律也从细观层面与洞顶平面(Ⅰ-Ⅰ平面)宏观竖向土压力的分布规律相对应。　　(3)基于最佳洞型结构，建立EPS板减载的高填黄土复式明洞数值模型，首先对比分析了复式明洞有/无EPS板减载时，土压力、竖向位移、接触力链等方面的差异性规律，明确其减载的一般特点。随后，进一步分析了其减载效果与EPS板厚度(T)之间的相关性。最后基于最佳洞型结构和EPS板最优减载厚度(T)，进一步探究EPS板跨洞间距整体铺设、左右洞室分段铺设、左右洞室分段分层铺设的减载效果，确定最佳的减载布设方案。研究结果表明：在复式明洞顶部跨间距整体铺设EPS板减载时，左右洞室平均减载率达60%以上；EPS板宽度范围内的竖向土压力分布相比无减载时更加均匀，应力集中现象消失；洞顶上方平面(Ⅱ-Ⅱ平面)处土颗粒竖向位移由M型转变为U型分布；回填土中的力链相较于两侧变得稀疏并发生斜向偏转，荷载向两侧转移，洞顶竖向土压力减小。EPS板的减载效果随着厚度(T)的增大而增大，最佳减载厚度为15cm；其在左右洞室顶部分段铺设时减载效果较整体跨间距铺设时更好，而当T=15cm的EPS板在洞顶单层铺设和分段分层(上层10cm+下层5cm)铺设时，减载率将进一步提高。　　(4)以EPS板在复式明洞顶分段分层铺设为基础，就左右洞室的洞间距(D)、EPS板分段分层铺设时板间距(B)的改变对复式明洞土压力和减载效率的影响进行参数化分析，确定了复式明洞采用该种减载方案时的最优参数。分析结果表明：洞间距D的改变对左右洞室顶部宽度范围内的平均竖向土压力分布影响不大；随着洞间距D由0.3m(1.0b)递减至0.05m(1/6b)，左右洞室顶部间的平均竖向土压力先逐渐增大后减小，并在D=0.3m(1.0b)时，出现最小值；左右洞室间距处的水平土压力随着洞间距D的减小不断降低；土颗粒间接触力链的分布特征也从细观层面证明洞间距D对水平土压力的影响。上下层EPS板的间距B的增大将使EPS板的整体减载效率降低；上下层EPS板间距B对竖向土压力的减载存在有效范围，当B=10cm(1.0T1)时减载效果最佳。
作者：	后浩斌
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李盛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022