详情

原文传递隧道围岩塌落机理与锚杆支护结构的上限分析研究

论文题名：	隧道围岩塌落机理与锚杆支护结构的上限分析研究
关键词：	上限定理;强度折减法;安全系数;曲线形破坏机制;三维破坏机制;隧道围岩;塌落机理;锚杆支护结构
摘要：	隧道稳定性问题是隧道工程中的基础性问题之一，如何在支护条件已知情况下对隧道的稳定性进行安全评估和如何确定临界状态下隧道围岩潜在破坏面，对从事隧道理论研究的学者和工程技术人员尤为重要。传统的研究方法主要是经典土力学方法和有限元法，但在解决上述问题时这两种方法均存在一定的局限性。极限分析上限定理，不但能够计算出接近实际情况的破坏荷载，而且可以获得相应的临界破坏面。因此，极限分析上限法是解决上述隧道工程稳定性问题的有效途径之一。本论文主要以极限分析上限定理为基础，结合数值方法和解析方法，对复杂条件下深埋和浅埋隧道的稳定性进行研究，主要研究内容如下: 　　 (1)结合强度折减法和极限分析上限定理，通过对土体原始的抗剪强度指标进行折减，并利用内外能耗功率相等推导出浅埋隧道整体安全系数的目标函数。采用序列二次优化迭代方法对此目标函数进行优化，得到了浅埋隧道能量耗散最小意义下的安全系数，从而对浅埋隧道稳定性做出评价。　　 (2)根据浅埋隧道开挖面的主动和被动破坏模式，采用强度折减法和上限定理，构建了浅埋隧道开挖面安全系数的目标函数，并通过优化计算得到了隧道开挖面的最小安全系数。考虑实际工程中遇到的各种影响因素后，得到了各个因素作用下隧道开挖面安全系数的上限解，并就各个参数对安全系数的影响进行了详细的讨论。　　 (3)针对浅埋岩质隧道顶部围岩的破坏特征，构建了一种二维曲线型破坏机制。根据上限定理，利用Hoek-Brown破坏准则和变分法推导出了隧道顶部围岩塌落面的解析表达式。在此基础上，将孔隙水压力功率引入上限定理的虚功率方程中，研究了孔隙水压力作用下深埋隧道顶部围岩塌落面的形状。　　 (4)构建了深埋隧道顶部围岩的三维破坏机制，通过计算隧道顶部三维塌落体的内能耗散功率和外力功率获得了隧道围岩塌落面方程的目标函数。利用变分法求出了此目标函数能量耗散最优意义下的塌落面解析方程，根据此方程绘制了不同参数下深埋隧道顶部围岩三维塌落体的形状。　　 (5)将三维旋转体型破坏机制引入浅埋矩形隧道的上限分析中，采用变分法和数值软件绘制了浅埋矩形隧道顶部围岩塌落体的形状。考虑不同围岩参数、地表荷载和支护力对浅埋隧道顶部塌落体形状的影响，得到了隧道塌落体形状随各参数变化的规律。　　 (6)在前述研究的基础上，根据内外能耗计算和变分原理，推导出锚杆作用下深埋隧道顶部围岩塌落面形状的显示解。通过对参数分析，得到了深埋隧道围岩塌落面形状和塌落范围随锚杆支护参数变化的规律。　　 (7)基于南京地铁三号线星火路站～高新路站区间隧道工程，采用数值模拟方法和极限分析上限定理分别计算了隧道拱顶围岩塌落面的形状，将研究成果应用于实际工程。
作者：	黄阜
专业：	土木工程
导师：	杨小礼
授予学位：	博士
授予学位单位：	中南大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文