大跨海底隧道圍巖抗力系數(shù)理論與試驗分析及其設(shè)計應(yīng)用研究.pdf

1、廈門市東通道翔安海底隧道是我國在建的首條海底城市道路隧道。鑒于目前沒有專門的海底隧道設(shè)計規(guī)范，其支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計計算只能參考目前現(xiàn)行的公路隧道設(shè)計規(guī)范(JTGD70—2004)按局部變形理論進(jìn)行設(shè)計。 在按局部變形理論設(shè)計時，規(guī)范采用的圍巖彈性抗力系數(shù)是確定圍巖抗力時的一個攸關(guān)的設(shè)計基本參數(shù)，其數(shù)值只是靠查取規(guī)范表格建議的數(shù)值范圍并結(jié)合類似工程經(jīng)驗來確定。對廈門大跨曲墻扁坦形海底公路隧道，在高圍壓作用下，因部分軟弱圍巖已進(jìn)入塑

2、性變形狀態(tài)，不只局限于彈性階段，故在文中推廣為圍巖抗力系數(shù)。由于缺乏實踐經(jīng)驗，對圍巖抗力系數(shù)必須進(jìn)行專門的理論和試驗研究，所以本文的研究成果不僅具有理論學(xué)術(shù)研究意義，而且具有工程應(yīng)用價值。 眾所周知，只有當(dāng)隧洞呈圓形而又承擔(dān)均勻的內(nèi)壓時，計算得到的圍巖抗力系數(shù)才是精確的理論值，而在其他隧洞斷面形狀和各種圍壓作用下，用局部變形理論(Winkler假定)所得到的圍巖抗力系數(shù)都是近似的。因此，本文對圍巖抗力系數(shù)的演引和解析工作都是按照

3、圓形洞室承受均勻內(nèi)壓的理想條件進(jìn)行的。 通過研究，本文取得了比較豐富的研究成果，它們具體是： (1)首先整理、歸納了前人在圍巖抗力系數(shù)方面的研究成果。通過收集、整理得到依據(jù)不同的本構(gòu)模型或者工程實際可能出現(xiàn)的工況的6種不同計算模型和方法，分析表明，圍巖抗力是一個綜合性系數(shù)，它與荷載情況、洞室?guī)缀纬叽?、圍巖物理力學(xué)指標(biāo)等都有很密切的聯(lián)系，另外，通過研究將以前僅僅應(yīng)用于彈性模型的的彈性抗力系數(shù)應(yīng)用范圍拓寬到處于彈塑性變形階段

4、的圍巖以及富含節(jié)理裂隙的圍巖情況。 (2)統(tǒng)一強(qiáng)度理論與其它強(qiáng)度理論相比，最大的區(qū)別在于其通過引入一個材料屈服準(zhǔn)則系數(shù)，以體現(xiàn)中間主應(yīng)力對材料屈服的影響，而一般的強(qiáng)度理論常常只考慮最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力對材料屈服的影響。本文的研究表明，在巖土工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的莫爾——庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，由于沒有考慮中間主應(yīng)力的影響而偏于保守，同時，得到了大量的巖石力學(xué)試驗結(jié)果已證實這點。本文基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論獨立推導(dǎo)得出的圍巖抗力系數(shù)的新解析計算式，為

5、提高計算精度很有助益。 (3)超聲波技術(shù)在巖土工程測試領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，本文提出了一種新的計算橫波分裂后的思路：從細(xì)結(jié)構(gòu)出發(fā)，基于兩相Hookc連續(xù)介質(zhì)模型，推導(dǎo)得到了不含波矢與對稱軸夾角為參數(shù)的快、慢橫波表達(dá)式。 (4)本文在確定巖石物理力學(xué)參數(shù)的室內(nèi)試驗中，采用了動力測試法和靜力測試法，分別得到了巖樣的動彈模、動泊松比以及靜彈模、靜泊松比、凝聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。在試驗數(shù)據(jù)分析過程中對于一些特殊現(xiàn)象作了初步

6、分析：關(guān)于負(fù)泊松比的現(xiàn)象，本文動測法和靜測法都發(fā)現(xiàn)部分巖樣測試泊松比為負(fù)值，分析其原因后認(rèn)為，巖樣內(nèi)部具有大量的孔隙，動力學(xué)方面對超聲波的縱波傳播速度降低，縱波和橫波波速比值小于√2，最終計算得負(fù)泊松比；靜力學(xué)方面，在單軸壓縮時也容易使受荷巖樣向內(nèi)部“頸縮”所致；另外，還討論了橫波波速分裂現(xiàn)象，研究表明這個特性對圍巖抗力系數(shù)計算結(jié)果會產(chǎn)生重要影響。 (5)通過對比多種模型計算的圍巖抗力系數(shù)值計算結(jié)果，本文對各種計算模型的優(yōu)缺點以