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原文传递软弱围岩公路隧道结构性能试验研究和理论分析

论文题名：	软弱围岩公路隧道结构性能试验研究和理论分析
关键词：	软弱围岩;公路隧道;模型试验;数值仿真;拓扑优化;现场测试
摘要：	鉴于软弱围岩公路隧道理论研究不足的现状，论文以不同应力场为研究的切入点，以揭示本质规律、服务工程为主要目标，通过基于相似理论的模型试验、基于有限元理论的数值仿真、结构拓扑优化、现场实测及理论分析等手段对软弱围岩公路隧道结构性能进行了系统研究。 1.总结借鉴国内外模型材料选取经验，针对软弱围岩的特性，以重晶石粉、石英砂、模型石膏、水为基材，成功配制了基本能满足软弱围岩指标要求的围岩模拟材料，并对衬砌模型材料进行了有益的探讨。同时，为模拟实际隧道工程施工工序，在三维地质力学试验平台上，研制了简便实用的隧道开挖工具，成功实现了“先加载后开洞”的隧道模型试验。 2.运用研制的地质力学模型试验简便实用的隧道开挖工具，首次系统开展了基于先加载后开洞思路的不同应力场单拱隧道模型试验，研究了开挖对不同应力场单拱隧道围岩应力分布的影响，分析了不同初始应力场和不同支护时机下单拱隧道结构的受力特点。并进行围岩和衬砌的破坏试验，分析了围岩和衬砌的变形破坏特点。 3.选择曲中墙连拱隧道结构型式，首次深入开展了基于先加载后开洞思路的不同应力场连拱隧道模型试验。通过开展施工过程相似模拟试验，研究了不同应力场软弱围岩公路连拱隧道支护结构在施工过程中应力变化特征，分析了左、右洞施工的相互影响，揭示了隧道围岩的变形规律，并研究了支护结构和围岩的相互作用机理。同时通过整体破坏试验，分析了在安全运营情况下连拱隧道结构的承载能力，研究了连拱隧道的破坏形态及其裂缝发生、发展过程。 4.建立有效的有限元模型，采用不同加载方式，模拟不同应力场，对软弱围岩公路单拱、连拱隧道施工过程中隧道围岩位移和应力变化特征及其影响范围进行了详细分析，并对衬砌结构的受力和变形特征进行深入研究。最后，为减少方法局限性所产生的误差，将数值仿真与模型试验结果进行了综合对比分析，揭示了两者的内在联系规律，并从理论上解释试验结果。 5.针对目前隧道衬砌结构在运营中出现较多病害的现状，运用数值仿真手段，建立三维有限元数值模型，对不同应力场软弱围岩公路单拱、连拱隧道结构安全性进行了评价，详细研究了衬砌结构在不同应力场作用下出现裂缝时的应力和变形，并指出隧道结构长期监控的重点。 6.首次基于连续体的结构优化理论和有限元方法，采用简化的假定条件，应用拓扑优化理论，以应变能最小即刚度最大为约束条件，成功对不同应力场软弱围岩公路单拱、连拱隧道衬砌结构体进行了结构优化。 7.针对现有应力场确定方法的局限性，从实用性角度出发，运用有限元分析手段，提出了一种确定软弱围岩公路隧道初始应力场的简单方法。该方法充分利用现场最易测得的两个参数，解决了初始应力场确定问题。 8.以甘肃青土岘软弱围岩公路隧道为依托，开展了较大规模的现场测试，着重研究了一次衬砌和仰拱围岩压力、格栅拱钢筋轴力、一衬和二衬接触应力以及二衬混凝土应变时间变化规律及其分布特性。并通过数值仿真，对其施工过程进行动态模拟，将实测与数值仿真结果进行综合对比。
作者：	来弘鹏
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	谢永利
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文