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膨胀土隧道衬砌膨胀力数值模拟研究

周坤  
【摘要】: 膨胀土是一种多裂隙并具有显著胀缩性的地质体。膨胀性岩土的反复遇水膨胀、失水收缩,对隧道工程造成极为严重的后果。因此必须通过研究得到隧道穿越膨胀土时的作用机理,以及在膨胀时应力重分布的规律,找出相应的对策,从而指导膨胀土隧道结构的设计和施工。 本文结合铁道部第二设计院项目“膨胀土隧道结构设计与施工方法研究”,主要进行分布于隧道周围的膨胀土吸水膨胀后对衬砌作用的数值模拟研究。首先介绍了膨胀土的胀缩原因及机理,膨胀土隧道的计算方法;并介绍了膨胀土围岩的基本特性、膨胀土隧道的常见病害及防治措施。然后通过有限元数值模拟,分析了隧道开挖后,周围膨胀土吸水膨胀对隧道衬砌、锚杆的作用,得出不同情况下的衬砌内力和地表位移及洞周位移的分布规律,得出以下结论: (1)隧道衬砌内力与埋深、膨胀率和膨胀圈厚度有关。其中膨胀因素对衬砌内力的影响十分显著,而埋深因素影响较小。 (2)就某一根锚杆来说,膨胀前后最大轴力均出现在锚杆与衬砌连接处,锚杆轴力沿锚杆轴向自内向外递减。拱腰处的锚杆轴力最大,拱顶处的锚杆轴力最小。 (3)锚杆的拉力与膨胀率呈线性关系。在膨胀率一定的情况下,膨胀圈厚对锚杆最大轴力的影响很小。 (4)膨胀圈厚度及膨胀率对衬砌变形的影响远大于埋深的影响。 (5)隧道周围的膨胀圈膨胀后,拱顶地表向上隆起;埋深对拱顶上方地表位移的影响程度随埋深的增大而增大。 (6)膨胀率对隧道结构的影响最大,膨胀圈厚度次之,埋深对隧道结构的影响最小。


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