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大跨海底隧道围岩抗力系数理论与试验分析及其设计应用研究

涂忠仁  
【摘要】:厦门市东通道翔安海底隧道是我国在建的首条海底城市道路隧道。鉴于目前没有专门的海底隧道设计规范,其支护及衬砌结构设计计算只能参考目前现行的公路隧道设计规范(JTG D70—2004)按局部变形理论进行设计。 在按局部变形理论设计时,规范采用的围岩弹性抗力系数是确定围岩抗力时的一个攸关的设计基本参数,其数值只是靠查取规范表格建议的数值范围并结合类似工程经验来确定。对厦门大跨曲墙扁坦形海底公路隧道,在高围压作用下,因部分软弱围岩已进入塑性变形状态,不只局限于弹性阶段,故在文中推广为围岩抗力系数。由于缺乏实践经验,对围岩抗力系数必须进行专门的理论和试验研究,所以本文的研究成果不仅具有理论学术研究意义,而且具有工程应用价值。 众所周知,只有当隧洞呈圆形而又承担均匀的内压时,计算得到的围岩抗力系数才是精确的理论值,而在其他隧洞断面形状和各种围压作用下,用局部变形理论(Winkler假定)所得到的围岩抗力系数都是近似的。因此,本文对围岩抗力系数的演引和解析工作都是按照圆形洞室承受均匀内压的理想条件进行的。 通过研究,本文取得了比较丰富的研究成果,它们具体是: (1) 首先整理、归纳了前人在围岩抗力系数方面的研究成果。通过收集、整理得到依据不同的本构模型或者工程实际可能出现的工况的6种不同计算模型和方法,分析表明,围岩抗力是一个综合性系数,它与荷载情况、洞室几何尺寸、围岩物理力学指标等都有很密切的联系,另外,通过研究将以前仅仅应用于弹性模型的的弹性抗力系数应用范围拓宽到处于弹塑性变形阶段的围岩以及富含节理裂隙的围岩情况。 (2) 统一强度理论与其它强度理论相比,最大的区别在于其通过引入一个材料屈服准则系数,以体现中间主应力对材料屈服的影响,而一般的强度理论常常只考虑最大主应力和最小主应力对材料屈服的影响。本文的研究表明,在岩土工程领域广泛应用的莫尔——库仑强度准则,由于没有考虑中间主应力的影响而偏于保守,同时,得到了大量的岩石力学试验结果已证实这点。本文基于统一强度理论独立推导得出的围岩抗力系数的新解析计算式,为提高计算精


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