隧道强度与隧道结构地震响应有限元分析

论文摘要

岩石类材料的强度理论问题一直是隧道结构研究的重要课题。近百年来,人们对岩石类材料强度理论进行了大量的理论研究和试验论证,采用Mises准则、Tresca准则、双剪准则和统一屈服准则进行分析。研究表明,大多数准则只适用于拉压屈服应力相同的材料,对岩石类材料并不适用,因此Mohr-Coulomb强度理论、双剪统一强度理论等一系列考虑了SD效应和中间主应力影响的强度理论,更能反映岩石类材料在复杂因素作用下的真实受力性能。在抗震方面,由于目前对隧道的地震作用机理了解较少,从理论分析和数值计算角度进行抗震设计还没有成熟方法,抗震设计规范主要停留在简单的惯性荷载法。因此采用新的强度理论对隧道结构进行分析和进一步研究隧道抗震有重要的理论意义和工程应用价值。本文以隧道围岩和衬砌为研究对象,用双剪统一强度理论,在假设塑性体积应变不为零的情况下,考虑静水压力以及衬砌在塑性变形时裂缝区的存在,对隧道结构进行弹塑性分析,推导了围岩抗力系数。总结了隧道震害特点和破坏机理,以秦岭三号特长隧道为例,用ANSYS软件对隧道结构进行瞬态分析,对比分析了不同情况围岩、不同角度入射地震波以及是否考虑砂浆锚杆层等情况下隧道结构的动力响应。结果表明:在隧道结构的弹塑性分析中,应变为零只是在特定情况下成立;本文推导的公式相比于Fenner和Kastner公式更具有普遍性,可以通过选用不同的材料参数,得到各种地质条件下围岩应力场和位移场的解析解;隧道结构地震反应主要受周围围岩的影响,随着围岩参数提高,围岩承担了大部分荷载,衬砌的变形和应力减小。砂浆锚杆层的加入对左右边墙处的应力减小最为明显,对隧道结构的减震抗震起到巨大的作用。斜向地震激励相比水平地震作用对结构的危害更大;隧道衬砌结构在左右边墙以及拱顶和拱底是发生最大主应力的部位,易出现应力集中,变形较大,是首先发生破坏的环节。在隧道的设计和施工中,应对这些部位给予重视。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 选题研究的重要性和意义
• 1.2.1 选题的重要性
• 1.2.2 选题的意义
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 隧道结构的强度理论
• 1.3.2 地下结构的抗震研究发展概况
• 1.4 本文研究的主要内容和思路
• 第二章 隧道与地下结构抗震理论研究
• 2.1 隧道震害实例与破坏机理
• 2.1.1 隧道震害实例
• 2.1.2 隧道与地下结构的破坏特征
• 2.1.3 隧道与地下结构的破坏机理
• 2.2 地震对地下工程的影响规律
• 2.2.1 地震对地下工程影响的一般规律
• 2.2.2 地震对隧道的影响规律
• 2.3 地下结构动力反应特点
• 2.4 国内外地下结构抗震研究方法
• 2.4.1 地震观测
• 2.4.2 理论分析
• 2.4.3 实验研究
• 2.5 小结
• 第三章 岩石类材料强度理论与圆形隧洞的弹塑性分析
• 3.1 岩石类材料的强度理论介绍
• 3.1.1 德鲁克-普拉格（Drucker-Prager）准则
• 3.1.2 摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则
• 3.1.3 霍克-布朗（Hoek-Brown）准则
• 3.1.4 格里菲斯（Griffith）准则
• 3.2 有支护压力圆形隧洞的弹塑性分析
• 3.2.1 统一强度理论介绍
• 3.2.2 岩石类材料的统一强度理论表达式
• 3.2.3 隧道开挖后的应力分析
• 3.2.4 考虑内水压力的隧道弹塑性分析
• 3.3 计算结果分析与比较
• 3.3.1 围岩抗力系数计算公式的退化与比较
• 3.3.2 塑性半径、洞壁位移及塑性区与裂缝区交界处应力变化规律
• 3.3.3 系数b 对围岩抗力系数K 的影响分析
• 3.3.4 系数m 对围岩抗力系数K 的影响分析
• 3.4 小结
• 第四章 有限元模型建立和结果分析
• 4.1 大型通用有限元软件ANSYS 简介
• 4.2 抗震分析中隧道模型的建立
• 4.2.1 秦岭Ⅲ号公路隧道概述
• 4.2.2 隧道模型及参数选取
• 4.2.3 材料单元选取
• 4.2.4 边界条件选取
• 4.2.5 地震波选取
• 4.2.6 阻尼选取
• 4.3 计算结果分析
• 4.3.1 不同种类围岩对结构抗震性能的影响
• 4.3.2 砂浆锚杆层对结构抗震性能的影响
• 4.3.3 不同角度入射地震波对结构的动力响应
• 4.4 小结
• 结论与展望
• 1 结论
• 2 今后的工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果
• 获奖情况
• 致谢