隧道圍巖塌落機(jī)理與錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的上限分析研究.pdf

1、隧道穩(wěn)定性問題是隧道工程中的基礎(chǔ)性問題之一，如何在支護(hù)條件已知情況下對(duì)隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行安全評(píng)估和如何確定臨界狀態(tài)下隧道圍巖潛在破壞面，對(duì)從事隧道理論研究的學(xué)者和工程技術(shù)人員尤為重要。傳統(tǒng)的研究方法主要是經(jīng)典土力學(xué)方法和有限元法，但在解決上述問題時(shí)這兩種方法均存在一定的局限性。極限分析上限定理，不但能夠計(jì)算出接近實(shí)際情況的破壞荷載，而且可以獲得相應(yīng)的臨界破壞面。因此，極限分析上限法是解決上述隧道工程穩(wěn)定性問題的有效途徑之一。本論文主要以極

2、限分析上限定理為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值方法和解析方法，對(duì)復(fù)雜條件下深埋和淺埋隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，主要研究內(nèi)容如下:
　　 (1)結(jié)合強(qiáng)度折減法和極限分析上限定理，通過對(duì)土體原始的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行折減，并利用內(nèi)外能耗功率相等推導(dǎo)出淺埋隧道整體安全系數(shù)的目標(biāo)函數(shù)。采用序列二次優(yōu)化迭代方法對(duì)此目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了淺埋隧道能量耗散最小意義下的安全系數(shù)，從而對(duì)淺埋隧道穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)。
　　 (2)根據(jù)淺埋隧道開挖面的主動(dòng)和被動(dòng)破壞模

3、式，采用強(qiáng)度折減法和上限定理，構(gòu)建了淺埋隧道開挖面安全系數(shù)的目標(biāo)函數(shù)，并通過優(yōu)化計(jì)算得到了隧道開挖面的最小安全系數(shù)?？紤]實(shí)際工程中遇到的各種影響因素后，得到了各個(gè)因素作用下隧道開挖面安全系數(shù)的上限解，并就各個(gè)參數(shù)對(duì)安全系數(shù)的影響進(jìn)行了詳細(xì)的討論。
　　 (3)針對(duì)淺埋巖質(zhì)隧道頂部圍巖的破壞特征，構(gòu)建了一種二維曲線型破壞機(jī)制。根據(jù)上限定理，利用Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則和變分法推導(dǎo)出了隧道頂部圍巖塌落面的解析表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，

4、將孔隙水壓力功率引入上限定理的虛功率方程中，研究了孔隙水壓力作用下深埋隧道頂部圍巖塌落面的形狀。
　　 (4)構(gòu)建了深埋隧道頂部圍巖的三維破壞機(jī)制，通過計(jì)算隧道頂部三維塌落體的內(nèi)能耗散功率和外力功率獲得了隧道圍巖塌落面方程的目標(biāo)函數(shù)。利用變分法求出了此目標(biāo)函數(shù)能量耗散最優(yōu)意義下的塌落面解析方程，根據(jù)此方程繪制了不同參數(shù)下深埋隧道頂部圍巖三維塌落體的形狀。
　　 (5)將三維旋轉(zhuǎn)體型破壞機(jī)制引入淺埋矩形隧道的上限分析中，采

5、用變分法和數(shù)值軟件繪制了淺埋矩形隧道頂部圍巖塌落體的形狀?？紤]不同圍巖參數(shù)、地表荷載和支護(hù)力對(duì)淺埋隧道頂部塌落體形狀的影響，得到了隧道塌落體形狀隨各參數(shù)變化的規(guī)律。
　　 (6)在前述研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)內(nèi)外能耗計(jì)算和變分原理，推導(dǎo)出錨桿作用下深埋隧道頂部圍巖塌落面形狀的顯示解。通過對(duì)參數(shù)分析，得到了深埋隧道圍巖塌落面形狀和塌落范圍隨錨桿支護(hù)參數(shù)變化的規(guī)律。
　　 (7)基于南京地鐵三號(hào)線星火路站～高新路站區(qū)間隧道工程，采