原文传递
带衬砌的深埋非圆形隧洞应力与位移的新解法
| 论文题名： | 带衬砌的深埋非圆形隧洞应力与位移的新解法 |
| 关键词： | 非圆形隧洞;衬砌结构;应力分析;位移变化 |
| 摘要： | 隧洞是一种在国防、水电、交通、矿山等工程领域，应用十分广泛的地下工程结构，近年来隧洞工程建设取得快速发展，隧道长度和埋深不断增加。开挖隧洞会使围岩中初始应力重分布，开挖之后的应力与位移场分布与断面形状有关，非圆形隧洞在拐点处，围岩和衬砌内将产生很大的应力集中，可能会使衬砌和围岩发生塑性变形，严重时将危害隧洞的安全性。因此探究地下隧洞的力学分析方法是十分必要的，从最初的古典压力理论，对地下结构力学分析方法的研究走过了漫长发展时期，目前，连续介质力学解析和数值分析方法较为常用。 当隧洞埋深足够深，可以把隧洞开挖与支护问题简化为无限域平面应变问题来处理。以往在利用平面弹性复变函数方法进行衬砌支护作用下非圆形隧洞的力学分析时，一般将洞室外域保角映射到象平面的单位圆外域，并认为可以利用同一个映射函数将衬砌截面映射到象平面的圆环域内。当衬砌厚度很薄时，这种方法是可行的，而当衬砌相对较厚时，利用同一映射函数所得到的衬砌截面形状发生严重失真。 针对上述出现的问题，利用两套映射函数，分别将洞室外域映射到象平面的单位圆圆外域，衬砌截面映射到圆环域。这种方法可以适应于不同的衬砌厚度，利用这种方式获得的衬砌截面，在衬砌相对较厚时仍能保证衬砌厚度相对均匀。在求解解析函数过程中不再采用传统的幂级数解法，而是使用边界配点法，将两套映射函数结合，并利用边界条件获得了该问题的应力解和位移解。以马蹄形隧洞为例，求解了隧洞围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向应力、围岩与衬砌接触面上的法向正应力以及接触面和衬砌内边界的位移解。 通过ANSYS有限元数值方法，分析围岩在地应力和水压力的共同作用下，马蹄形隧洞的围岩和衬砌中，任意一点的应力与位移。进一步分析围岩和衬砌中的位移场与应力场，并将结果与上述解析方法获得的结果对比，两种方法的结果吻合效果很好。说明本文理论推导过程正确，在此前提下，分析了不同参数对隧洞围岩以及衬砌应力和位移的影响。 深埋非圆形隧洞应力与位移新解法可以获得高精度的应力和位移解，通过所获得的应力分布可以判断衬砌是否满足强度要求，如果计算的应力超过了材料的屈服极限，就要采用适当方法降低应力或提高材料强度，使得衬砌满足姓度要求。 |
| 作者： | 崔耀启 |
| 专业： | 水利工程 |
| 导师： | 吕爱钟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华北电力大学(北京) |
| 学位年度： | 2022 |
检索历史
应用推荐
