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软土隧道固结性状及相互作用理论研究

刘干斌  
【摘要】:由于软土的固结、流变以及隧道衬砌的半透水性,软土隧道的内力与变形将随时间长期变化和发展。但目前相关的理论研究还滞后于工程实践。本文从Biot固结理论出发,对软土隧道的固结性状和相互作用以及在外荷载作用下的动力响应问题展开较系统、深入的研究,以揭示和掌握衬砌和土体的相对渗透性对软土的固结、流变以及对隧道内力和变形的影响规律,为软土中隧道的设计计算和工程实践提供技术支撑。主要工作如下: 1.考虑隧道衬砌和周围土体的相对渗透性,假定隧道处于半封闭状态(即边界半透水)且为薄壁柔性,研究了粘弹性饱和土体中深埋圆形隧道的圓结问题。将隧道边界上的应力和孔隙水压力条件分解,形成三类简单的计算模型,在Laplace变换域中分别得到相应模型条件下的解答,并利用线性叠加原理得到了该固结问题的解。现有不考虑土体固结和流变、且简单假定隧道边界透水或不透水情况下的解均为此解的特例。同时,利用Laplace逆变换得到了时间域中的数值结果,分析了土体的阻尼、反映隧道半封闭特性的渗透性参数及侧压力系数对软土隧道固结性状的影响。 2.考虑衬砌材料和土体的流变性以及衬砌的刚度,利用薄壁圆柱壳理论,研究了粘弹性饱和土体中半封闭圆形隧道衬砌—土相互作用问题。在Laplace变换域中得到了考虑固结和流变耦合作用下的解答。当不考虑衬砌材料的刚度时,此解可退化到衬砌为柔性条件下的解。利用Laplace数值逆变换得到了时间域中的结果,并由此讨论了衬砌和土体的阻尼比和相对刚度、衬砌的相对厚度、渗透性参数和侧压力系数对隧道衬砌—土相互作用的影响。通过将按本文和现有方法分别计算得到的弯矩进行比较表明:反映衬砌和土体刚度的系数α_0对弯矩有较大影响;相对刚度越大,弯矩也越大;在1~100范围内,刚度系数任何小的变化都会引起弯矩的明显变化。 3.对隧道边界上受轴对称荷载和流体压力作用情况下半封闭压力隧道周围软土的固结及衬砌—土相互作用问题进行了研究,分别得到隧道周围设置集中排水、不透水层等复杂情况下的解答,并分析了衬砌渗透性参数等对固结性状的影响。提出采用反映衬砌材料孔隙率的应力系数Γ来确定隧道边界上衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值,从而可避免当前压力隧道计算中将隧道边界上的内水压力视为轴对称荷载或流体压力这两种简单假设,使压力隧道的计算更接近于工程实际。 4.首次将衬砌的半封闭特性引入于隧道的动力响应问题,基于Carcione建立的反映土体松驰和流变的粘弹性本构模型,在频域内得到了考虑衬砌刚度、隧道边界上受轴 对称荷载及流体压力作用下半封闭圆形隧道衬砌一土的动力固结和相互作用解答。分析 了衬砌和土体的材料及几何参数等对固结的影响,结果表明:反映土体粘弹性性质的最 小质量因子和土体的粘滞阻尼具有相同的力学意义,从而很好地验证了Car。ione粘弹性 本构模型的合理性。 5.在时间域内,研究了粘弹性饱和土体中隧道边界上受任意荷载作用的衬砌一土 动力固结和相互作用问题,通过引入势函数和Helmholtz分解原理,并利用应力系数r得 到了不同响应模式下该问题的解答。现有无衬砌条件下隧道的动力响应解仅为本文解的 一个特例。在考虑和不考虑隧道衬砌和土体的相对刚度条件下,分析了第一类响应模式 下衬砌和土体的材料和几何参数等对位移、孔隙水压力和应力响应的影响,并通过对多 种响应模式下计算结果的对比表明:不同响应模式下的隧道动力响应有很大差异。 关键词:软土;隧道;衬砌;半封闭;粘弹性;固结;相互作用;动力响应;应力系数; 频域;时域


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