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原文传递大跨海底隧道围岩抗力系数理论与试验分析及其设计应用研究

论文题名：	大跨海底隧道围岩抗力系数理论与试验分析及其设计应用研究
关键词：	海底隧道;隧道衬砌结构;隧道变形;围岩抗力系数;统一强度理论;材料屈服;抗力系数试验;两相Hooke连续介质模型
摘要：	厦门市东通道翔安海底隧道是我国在建的首条海底城市道路隧道。鉴于目前没有专门的海底隧道设计规范，其支护及衬砌结构设计计算只能参考目前现行的公路隧道设计规范(JTGD70—2004)按局部变形理论进行设计。在按局部变形理论设计时，规范采用的围岩弹性抗力系数是确定围岩抗力时的一个攸关的设计基本参数，其数值只是靠查取规范表格建议的数值范围并结合类似工程经验来确定。对厦门大跨曲墙扁坦形海底公路隧道，在高围压作用下，因部分软弱围岩已进入塑性变形状态，不只局限于弹性阶段，故在文中推广为围岩抗力系数。由于缺乏实践经验，对围岩抗力系数必须进行专门的理论和试验研究，所以本文的研究成果不仅具有理论学术研究意义，而且具有工程应用价值。众所周知，只有当隧洞呈圆形而又承担均匀的内压时，计算得到的围岩抗力系数才是精确的理论值，而在其他隧洞断面形状和各种围压作用下，用局部变形理论(Winkler假定)所得到的围岩抗力系数都是近似的。因此，本文对围岩抗力系数的演引和解析工作都是按照圆形洞室承受均匀内压的理想条件进行的。通过研究，本文取得了比较丰富的研究成果，它们具体是： (1)首先整理、归纳了前人在围岩抗力系数方面的研究成果。通过收集、整理得到依据不同的本构模型或者工程实际可能出现的工况的6种不同计算模型和方法，分析表明，围岩抗力是一个综合性系数，它与荷载情况、洞室几何尺寸、围岩物理力学指标等都有很密切的联系，另外，通过研究将以前仅仅应用于弹性模型的的弹性抗力系数应用范围拓宽到处于弹塑性变形阶段的围岩以及富含节理裂隙的围岩情况。 (2)统一强度理论与其它强度理论相比，最大的区别在于其通过引入一个材料屈服准则系数，以体现中间主应力对材料屈服的影响，而一般的强度理论常常只考虑最大主应力和最小主应力对材料屈服的影响。本文的研究表明，在岩土工程领域广泛应用的莫尔——库仑强度准则，由于没有考虑中间主应力的影响而偏于保守，同时，得到了大量的岩石力学试验结果已证实这点。本文基于统一强度理论独立推导得出的围岩抗力系数的新解析计算式，为提高计算精度很有助益。 (3)超声波技术在岩土工程测试领域得到了越来越广泛的应用，本文提出了一种新的计算横波分裂后的思路：从细结构出发，基于两相Hookc连续介质模型，推导得到了不含波矢与对称轴夹角为参数的快、慢横波表达式。 (4)本文在确定岩石物理力学参数的室内试验中，采用了动力测试法和静力测试法，分别得到了岩样的动弹模、动泊松比以及静弹模、静泊松比、凝聚力和内摩擦角等参数。在试验数据分析过程中对于一些特殊现象作了初步分析：关于负泊松比的现象，本文动测法和静测法都发现部分岩样测试泊松比为负值，分析其原因后认为，岩样内部具有大量的孔隙，动力学方面对超声波的纵波传播速度降低，纵波和横波波速比值小于√2，最终计算得负泊松比；静力学方面，在单轴压缩时也容易使受荷岩样向内部“颈缩”所致；另外，还讨论了横波波速分裂现象，研究表明这个特性对围岩抗力系数计算结果会产生重要影响。 (5)通过对比多种模型计算的围岩抗力系数值计算结果，本文对各种计算模型的优缺点以及在不同围岩级别条件下的适用情况进行了详细的分析与讨论，并对各自在厦门海底隧道衬砌设计中的适用情况提出了建议意见。最后，还就关于进一步工作的若干方向进行了简要的展望。
作者：	涂忠仁
专业：	结构工程(地下结构)
导师：	孙钧;蔡晓鸿
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文