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朝阳镇至长白公路老岭隧道围岩应力—应变分析

李勇  
【摘要】:随着国民经济迅速发展,公路建设规模日益扩大,对公路快速、舒适、美观也 提出了更高的要求。由此带动并促进了公路隧道建设的发展。隧道工程在岩体中开 挖,而岩体是经受过变形与破坏的地质体的一部分,是技术学科中最复杂、最难理 解的一种材料。因此,地下结构的力学状态是极其复杂的,它具有结构、材料与荷 载“三位一体”的特性,传统的“结构-荷载”模型已不再适用,需要用固体力学 模型边界条件与力学参数的变化加以描述。70 年代以来在地下工程的结构设计中, 将结构与地层视为一体进行稳定性分析的地层结构法有了较大的发展,并已根据围 岩和结构材料的本构关系建立了各类计算模型,编制了程序软件,使地下工程的计 算理论有了较大的进步。但是,围岩-支护系统的力学机理还不甚清楚;初始地应 力场及岩体力学参数的逐点变化;岩体材料破坏准则研究的不完善及多种破坏形式 等都表明隧道工程的复杂程度远远高于地面工程。 隧道工程设计,在很大程度上就是设计它的支护系统,隧道支护结 构是设计的主要部分,本文利用数值模拟的方法对隧道围岩进行了应力 应变分析,按应力集中系数的大小进行分区,并对支护后的锚杆轴力进 行计算,根据锚杆轴力与应力集中系数的分区情况设计锚杆长度。最后 利用承压拱理论验证修改后支护系统的安全性,表明该锚杆长度的设计 是合理的,具体分以下几步: 1、 根据朝阳镇至长白二级公路老岭隧道的区域地质、工程地质条 件,结合施工方法,对隧道围岩进行了声波测试、点荷载、回弹以及其 它的地质方法(如素描图、展示图等)确定实际围岩类别,将其与勘察 设计阶段的围岩类别进行比较。结果表明,由于勘察方法、手段和工具 的制约以及地下岩体的复杂性等方面的原因,导致由勘察资料进行的围 岩分类与实际的围岩类别存在一定的差异,如果按原设计实施的话,势 必造成经济上的浪费或安全上的隐患。 2、由勘察资料提供的物理力学参数,根据实测的围岩类别,用有限 单元法对隧道围岩进行应力应变分析,从而确定围岩的应力分布和位移 情况。同时,对无衬砌和二次支护后围岩的应力、应变分布情况进行对 比。 3、引入“应力集中系数”的概念,“应力集中系数”定义为最大应力 或峰值应力σm对基准应力(根据具体情况适当选定)σ0 之比。本文中 的σm、σ0 分别对应于各单元体的最大、最小主应力,因为最大、最小 主应力不仅反映了应力集中的程度,同时因为它们是 Mohr-Coulomb 破 坏准则中的两个重要参数所以也反映了单元体的安全程度。根据应力集 硕士毕业论文 58 WP=64 朝阳镇至长白公路老岭隧道围岩应力应变分析 中系数在隧道围岩中的分布情况,对其进行了分区,并且对无支护和二 次支护后的应力集中系数的分布情况进行对比。 4、根据原设计方案的锚杆长度,计算出锚杆轴力分布情况,找出锚 杆轴力变化规律,以此确定围岩塑性区或松动区的范围,用围岩内切向 应力变化规律验证了此塑性区或松动区确定方法的合理性。 5、将按锚杆轴力变化规律确定的围岩塑性或松动区范围与应力集中 系数分区情况结合起来,修改原设计中的锚杆长度。 6、用承压拱理论计算锚杆长度改变后支护系统的安全性,结果表明, 修改后的锚杆长度是合理的。 本文的创新之处主要体现在以下几方面: 1、最大、最小主应力之比来确定应力集中系数,这一系数既能判断 围岩的应力集中程度,同时根据 Mohr-Coulomb 准则,它也能对围岩的 潜在破坏趋势进行判定。 2、根据硐壁锚杆轴力的两段线性变化特征,确定围岩塑性区或松动 区的厚度。 3、应力集中系数与锚杆轴力变化规律相结合,设计隧道支护系统中 的锚杆长度。


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