大窑沟二号隧道围岩稳定性模型实验研究及数值分析

论文摘要

随着我国国民经济的快速发展,山岭地区公路建设的不断发展,公路隧道的建设数量日益增多。公路隧道建设不仅投资大而且往往是控制公路建设工期的关键。在隧道的施工中,经常遇到断层和溶洞等工程地质灾害。这就导致开挖后围岩应力重分布更为复杂。因此,分析断层和溶洞对隧道围岩稳定性影响就极为重要。本文以位于辽宁沈朝高速公路线上的大窑沟二号隧道工程为背景,隧道施工现场调研发现,隧道围岩中存在一些不良的地质条件,其中断层和溶洞是该隧道工程施工过程中关键性问题。现有研究表明,断层和溶洞对于隧道围岩稳定性的研究工作已受到科研人员和现场技术人员越来越多的重视,但是由于其破坏机理复杂性,传统研究方法多采用数值分析的方法。相对的,有关断层和溶洞模型实验方面开展研究的并不多见。本文基于模型实验具有真实、直观、全面的优点,立足东北大学实验室现有条件,提出利用相似模型实验为主要的研究手段,并以数值分析作为模型实验的补充,对典型断面的隧道围岩失稳破坏过程中的力学行为进行较为深入的研究。模型实验相似准则考虑选用以几何相似比和容重相似比为主相似比,实现了在弹性范围内控制各物理力学参数的全相似性。继而开展了相似材料配比实验,制作了隧道模型,开展了对含有断层和不同位置溶洞对隧道围岩稳定性影响的系列实验研究。在模型实验的基础上,本文进行了三维有限元数值分析,作为对模型实验的补充,并将两者的结果进行了对比分析。通过本文的研究,得出了一些有实际工程价值的结论,对于保证本隧道的顺利施工有借鉴参考意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及其意义
• 1.2 国内外隧道围岩稳定性研究现状
• 1.2.1 理论研究现状
• 1.2.2 数值计算方法
• 1.2.3 人工智能方法
• 1.2.4 围岩分类法
• 1.2.5 反分析法
• 1.3 模型实验技术国内外研究现状
• 1.3.1 模型材料的选择
• 1.3.2 地质构造的模拟
• 1.3.3 弹性模量的测试及各向异性的模拟
• 1.3.4 边界荷载的施加及施工工况的模拟
• 1.3.5 模型应力应变位移测试
• 1.3.6 模型实验的研究成果
• 1.3.7 模型实验的优缺点
• 1.4 地下工程模型实验的国内外研究现状
• 1.5 工程概况
• 1.5.1 项目概述
• 1.5.2 工程的地质状况
• 1.6 本文主要工作
• 第二章 模型实验基本理论与设计
• 2.1 相似理论
• 2.1.1 相似的概念
• 2.1.2 相似三定理
• 2.2 模型实验设计
• 2.2.1 模型尺寸的选择
• 2.2.2 相似材料
• 2.2.3 模型的制作
• 2.2.4 实验加载及量测
• 第三章 模型实验过程及结果分析
• 3.1 围岩中含有断层隧道模型实验
• 3.1.1 位移测量
• 3.1.2 应变测量
• 3.1.3 图像记录
• 3.1.4 破坏过程描述
• 3.1.5 隧道模型破坏图
• 3.1.6 应变值采集
• 3.1.7 拱顶位移结果
• 3.2 不同位置溶洞隧道模型实验
• 3.2.1 顶部溶洞
• 3.2.2 底部溶洞
• 3.2.3 侧向溶洞
• 3.3 本章小结
• 第四章 数值分析
• 4.1 有限元理论概述
• 4.1.1 有限元方法的基本思想
• 4.1.2 有限元方法的基本理论
• 4.1.3 有限元分析方法的一般步骤
• 4.1.4 ANSYS软件简介
• 4.2 模型的建立
• 4.2.1 本构关系的选择
• 4.2.2 分析单元的选择
• 4.2.3 有限元网格划分
• 4.2.4 约束与加载
• 4.3 数值分析
• 4.3.1 断层对隧道稳定性影响数值分析
• 4.3.2 不同位置溶洞对隧道围岩稳定性影响分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 模型实验与数值分析结果比较
• 5.2 主要结论和建议
• 5.3 有待进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介