有壓隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性力學(xué)模型研究.pdf

1、隧洞作為一種主要的地下結(jié)構(gòu)，廣泛的應(yīng)用于交通、水利、采礦、石油以及水電和通信等工程中。隨著對于基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展和升級換代的要求，隧洞建設(shè)在世界各地蓬勃發(fā)展。而所建隧洞的安全性和經(jīng)濟(jì)性也越來越受到關(guān)注。一般的，隧洞設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下三個要求：隧洞在建過程中要滿足穩(wěn)定、安全性的要求；盡量減少對附近結(jié)構(gòu)的不利影響；達(dá)到隧洞的既有設(shè)計(jì)功能。其中，第一條主要是針對隧洞支護(hù)體系的合理設(shè)計(jì)。 眾所周知，隧洞開挖后地層中初始應(yīng)力釋放，應(yīng)力重新分布形成

2、二次應(yīng)力場，從而引起隧洞的變形。為了確保隧洞開挖后的穩(wěn)定性，工程中常采用襯砌材料進(jìn)行支護(hù)。然而，大多數(shù)力學(xué)模型可以退化為這樣的情形：隧洞開挖，襯砌安裝完，而后結(jié)構(gòu)再受到地應(yīng)力的影響。而事實(shí)上，巖（土）體是賦存了一定的初始應(yīng)力，開挖導(dǎo)致隧洞發(fā)生部分變形，而后再安裝襯砌，因而，必須提出一種合理的力學(xué)模型。 另外，當(dāng)作用于巖體的初始應(yīng)力較大或巖體自身的強(qiáng)度較低，洞室開挖后，洞周的部分巖體應(yīng)力超出了巖體的屈服應(yīng)力，使巖體進(jìn)入了塑性狀態(tài)。

3、隨著與洞壁距離的增大，最小主應(yīng)力也隨之增大，進(jìn)而提高了巖體的強(qiáng)度，并使巖體的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)，巖體的二次應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)彈塑性并存的狀態(tài)。雖然，各種基于彈性理論的圍巖.襯砌干涉作用模型很多，而經(jīng)典的彈塑性解答中，一般都未考慮襯砌本身對于圍巖的制約作用，實(shí)際上，圍巖壓力是通過襯砌和圍巖的共同作用來承擔(dān)的；再者，屈服條件中的第一主應(yīng)力是以徑向應(yīng)力的情況下導(dǎo)出的，這樣做還不夠全面，必須根據(jù)不同的工況和不同的地應(yīng)力條件，正確選擇屈服條件中的第一主

4、應(yīng)力，導(dǎo)出襯砌和圍巖的屈服范圍和應(yīng)力計(jì)算公式，給出屈服區(qū)和應(yīng)力計(jì)算公式的適用范圍。 許多隧洞，包括新奧法施工的隧洞，需要的支護(hù)形式為：初期支護(hù)和二期支護(hù)。初期支護(hù)主要來承受開挖荷載，而二次襯砌支護(hù)需要承受隧洞運(yùn)行期間的附加荷載以及圍巖、初期支護(hù)強(qiáng)度隨時(shí)間的降低，或者來自圍巖中的其它附加荷載作用。地下水流的變化則是其中的主要附加荷載之一。隧洞突水無論是在隧洞的施工期還是在運(yùn)行期均可發(fā)生。隧洞突水會造成停工、環(huán)境破壞以及結(jié)構(gòu)的沉陷等

5、嚴(yán)重問題。另外，為了評估相關(guān)的問題，隧洞突水也必須盡量做到提前預(yù)警。雖然孔隙水壓力對隧洞支護(hù)的影響有許多的研究成果，但是，各種水力條件變化下的隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)仍然急需在這方面進(jìn)行多方面的深入研究。 彈性問題的復(fù)勢方法是迄今唯一能從已知到未知順次求解的分析方法；它統(tǒng)一了彈性力學(xué)中的三種基本方法（位移法、應(yīng)力法、應(yīng)力函數(shù)法）和三類邊界（力邊界、位移邊界、混合邊界）問題；而彈性場本身的應(yīng)力變形特征與復(fù)勢函數(shù)之間必定存在一種確定的關(guān)系，

6、找到這種關(guān)系無疑對于具體問題中復(fù)勢函數(shù)的求解是重要的。本文的主要研究成果如下： 1.利用基本的平面彈性方程，結(jié)合解析函數(shù)的性質(zhì)，首次得到了平面彈性復(fù)勢中的幾個重要性質(zhì)，其內(nèi)容為：對于平面、反平面彈性場，當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)關(guān)于原點(diǎn)對稱時(shí)，復(fù)勢為偶函數(shù)；當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)關(guān)于x軸對稱時(shí)，平面彈性場中的復(fù)勢具有實(shí)系數(shù)；當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)關(guān)于x軸反對稱時(shí)，反平面彈性場的復(fù)勢具有虛系數(shù)。利用所得基本性質(zhì)可以簡化復(fù)勢函數(shù)的求解過程。 2.根據(jù)圍巖和襯砌聯(lián)合

7、作用的機(jī)理，研究了深埋圓形襯砌隧洞在多種荷載作用下的彈性應(yīng)力、位移場的解析解答。利用以上復(fù)勢函數(shù)性質(zhì)，構(gòu)造合適的復(fù)勢函數(shù)，然后，根據(jù)邊界上力、位移的連續(xù)性條件，獲得了全場復(fù)勢的解析表達(dá)。詳細(xì)討論了非靜水壓力條件下的深埋襯砌壓力隧洞的這一情形。結(jié)果表明：為了減少隧洞開挖對原有應(yīng)力、位移場的擾動，施作襯砌是一種有效措施，但是，襯砌的厚度和剛度應(yīng)該針對具體情況保持在一定范圍，過大過小的值都是不合適的。另外發(fā)現(xiàn)，隧洞開挖對位移場的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于

8、對應(yīng)力場的影響。就應(yīng)力場而言，當(dāng)隧洞埋深和隧洞內(nèi)徑的比值大于5時(shí)，就完全可以應(yīng)用本文的結(jié)論；然而，就位移場而言，只有當(dāng)隧洞埋深和隧洞內(nèi)徑的比值大于20時(shí)，本文的結(jié)論才可以應(yīng)用。 3.研究了隧洞處于彈塑性條件的圍巖穩(wěn)定性問題?？紤]地應(yīng)力的釋放和襯砌安裝的時(shí)序，提出合理模擬隧洞修筑過程的力學(xué)模型。利用邊界上位移和力的連續(xù)性條件，得到圍巖和襯砌內(nèi)的復(fù)應(yīng)力函數(shù)表達(dá)式。根據(jù)不同的工況和地應(yīng)力條件，基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，正確

9、選擇屈服條件中的第一主應(yīng)力，導(dǎo)出襯砌和圍巖的屈服范圍和應(yīng)力計(jì)算公式，并給出屈服范圍和應(yīng)力計(jì)算公式的適用條件。重點(diǎn)抓住影響地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的幾個主要參數(shù)，即圍巖、襯砌的彈性（或變形）模量，地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)，襯砌的厚度，以及到洞軸線距離等，來分析其對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形影響。經(jīng)典的Fenner公式和Lamé解答等許多已往解答，可以作為其特殊情況退化得到。 4.將深埋圓形隧洞各影響因素簡化為軸對稱。首先，求解得到滲流場；然后，以滲透體積力方式