【博士】隧道收斂約束法的理論研究與應(yīng)用【2009】

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　　學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：華中科技大學(xué)　　學(xué)位年度： 2009年　　長期以來，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖荷載一直不太明確，原因在于隧道開挖是一個由三維空間與時間組成的四維問題。針對這一復(fù)雜問題，有時即使采用三維數(shù)值模擬，都難以達(dá)到預(yù)期效果。然而，使用收斂約束法卻成為上述問題分析的有效途徑。收斂約束法是近三十年發(fā)展起來的一種新興支護(hù)設(shè)計方法，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法不同，該方法重點考察的是代表支護(hù)約束壓力作用下的巖層行為，其基本原則是：　　支護(hù)的設(shè)計目的是穩(wěn)定圍巖運動，而不是承受圍巖荷載?！　∈諗考s束法基本理論的三大組成部分分別是圍巖特性曲線、支護(hù)特性曲線以及縱斷面變形曲線，其中圍巖特性曲線表示圍巖收斂對支護(hù)的需求特性，支護(hù)特性曲線表示支護(hù)壓力對圍巖的約束特性，縱斷面曲線表示開挖面的空間約束行為。本文主要研究了這三條曲線的繪制方法及其相關(guān)理論，并將它們應(yīng)用于十漫高速公路的二道埡隧道，分析了該隧道的壓力與收斂量測數(shù)據(jù)，檢驗了收斂約束法的應(yīng)用效果。本文主要完成以下幾個方面的工作：　　(1) 利用圖示法闡述了收斂約束法的基本原理?；谶B續(xù)介質(zhì)理論，分析了隧道開挖前后的圍巖應(yīng)力與破壞特征，研究了支護(hù)的基本功用與設(shè)計要點。通過圍巖與支護(hù)特性曲線的平衡點獲得了支護(hù)壓力的求解公式?！　?2) 探討了用于彈塑性分析的理想彈塑性、應(yīng)變軟化以及彈脆塑性巖體破壞后的變形特征。研究了不同圍巖彈塑性邊界的應(yīng)力與位移的邊界條件。研究表明，理想彈塑性以及應(yīng)變軟化圍巖的彈塑性邊界應(yīng)力與位移連續(xù)，而彈脆塑性圍巖的彈塑性邊界徑向應(yīng)力與位移連續(xù)，但切向應(yīng)力存在突變。　　(3) 對二維軸對稱平面應(yīng)變模型進(jìn)行了彈塑性分析?；谧韵嗨评碚?，推導(dǎo)了用于求解靜水應(yīng)力場的圓形洞室周邊應(yīng)力與位移封閉解的微分方程組，給出了滿足線性Mohr-Coulomb 與非線性Hoek-Brown 屈服準(zhǔn)則的求解常數(shù)公式，編制了相應(yīng)的計算程序，獲得了不同巖體模型的典型圍巖特性曲線?！　?4) 基于彈塑性分析，提出了一種計算理想彈塑性與彈脆塑性巖體的等效Mohr-Coulomb 強度參數(shù)的方法，并與其它兩種方法進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，該方法計算出的Mohr-Coulomb 參數(shù)可較好地用于軸對稱圓形隧道的彈塑性分析，并能快速繪制圍巖特性曲線。　　(5) 基于彈性厚壁筒理論，推導(dǎo)出圓形混凝土單層和復(fù)合式襯砌剛度與最大支護(hù)壓力的計算公式。利用收斂約束原理分析了復(fù)合式支護(hù)與圍巖之間的相互作用關(guān)系。結(jié)果表明，在后期忽略初期支護(hù)的作用效果而僅考慮二次襯砌的支護(hù)作用，得到的最終支護(hù)壓力比考慮初期支護(hù)作用時低，但二次襯砌所需承受的圍巖壓力要大，因此更加保守?！　?6) 基于三維數(shù)值模擬，研究了巖體強度參數(shù)對約束損失的影響，得到了位移釋放率隨膨脹角、摩擦角以及粘聚力的變化規(guī)律。巖體膨脹角對位移釋放率的影響較大，使用收斂約束法分析的支護(hù)壓力較非膨脹性巖體大。摩擦角對開挖面后方斷面的位移釋放率影響明顯，但對開挖面前方斷面影響不大。粘聚力大小對位移釋放率影響不大?！　?7) 針對二道埡隧道不同類別圍巖與支護(hù)特性，繪出了其收斂約束曲線，并對圍巖壓力收斂量測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與研究。結(jié)果表明，收斂約束法計算的圍巖壓力與實測壓力較為接近，而且運用該方法合理闡釋了隧道初支變形出現(xiàn)異常的原因。研究工作不僅為本隧道工程建設(shè)提供了指導(dǎo)，而且可為類似地下工程的建設(shè)提供參考?！　?

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