隧道围岩与支护结构的相互作用研究

论文摘要

围岩与支护结构的相互作用问题一直是隧道工程稳定性的难点问题,而围岩与支护结构接触界面的力学性质是围岩与支护结构相互作用的核心问题,接触面模拟的合理与否对接触面上的应力分布以及支护结构和围岩的受力、变形都将产生重要的影响。目前,对于围岩与支护结构的相互作用问题,关于初期支护与二次支护(模注混凝土)间的接触面的问题研究较多,但对于新奥法锚喷支护喷射混凝土与围岩间的接触面的问题研究不多,普遍认为喷射混凝土能够与围岩形成较稳定的整体,共同工作。本文针对这一问题,以某一实际工程为背景,对隧道围岩与锚喷初期支护结构相互作用中涉及到的一些问题进行了较深入的研究。主要的研究内容和取得的成果如下：(1)深入研究围岩与初期支护结构间接触界面的力学性质,建立接触面弹塑性分析的有限元模型,参考嵌岩桩桩端摩阻力的计算方法得出接触面切向剪应力的限值；(2)研究围岩与初期支护结构界面间的约束程度对围岩与支护结构相互作用的影响,利用ABAQUS软件建立全约束和考虑摩擦的两种三维有限元分析模型,模拟隧道是的施工过程,得到围岩与初期支护结构在开挖过程中的位移以及应力的变化情况。比较两个模型的计算结果发现,引入接触面,通过界面间的摩擦考虑相互作用会减小支护结构的受力,增大围岩的应力和位移,使围岩与支护结构的受力更为均匀；(3)对两种计算模型,研究锚喷支护的设计参数(包括锚杆长度、锚杆间距以及喷层厚度)的变化对围岩和支护结构应力以及位移的影响,发现一味地通过增加锚杆长度或加大喷层厚度的方法来提高对围岩的支护效果,效果不大。所以,应合理考虑锚喷支护的设计参数,提出设计的优化方案；(4)对两种计算模型,不同埋深下的有限元分析结果比较,得到隧道围岩稳定性及衬砌受力和埋深的一般性关系；(5)分析接触面摩擦系数的取值对围岩与锚喷支护结构相互作用的影响,发现随着摩擦系数的增加,接触面的切向应力增大,接触压力除拱底测点由于拱起效应加大而减小外,其余测点均增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外发展概况和研究进展
• 1.2.1 隧道支护理论的发展及研究现状
• 1.2.2 隧道支护技术的发展及研究现状
• 1.2.3 隧道及支护结构的数值模拟
• 1.3 围岩与支护结构相互作用的研究现状
• 1.3.1 相互作用的力学机理
• 1.3.2 接触面本构关系的研究进展
• 1.4 本论文的研究内容及方法
• 2 锚喷支护作用的机理
• 2.1 围岩压力的概念及计算方法
• 2.1.1 围岩压力的定义和分类
• 2.1.2 围岩压力的影响因素
• 2.1.3 围岩应力的计算方法
• 2.2 喷射混凝土的力学行为
• 2.3 锚杆的作用机理
• 2.3.1 锚杆支护的作用
• 2.3.2 基于弹塑性理论的锚杆支护作用
• 2.3.3 基于围岩松动圈理论的锚杆支护作用
• 2.4 本章小结
• 3 隧道围岩与锚喷支护相互作用的数值模拟
• 3.1 ABAQUS有限元分析软件介绍
• 3.2 工程概况
• 3.3 有限元模型的建立
• 3.3.1 分析模型的计算假定
• 3.3.2 模型的单元类型
• 3.3.3 模型的边界条件及荷载
• 3.3.4 计算参数
• 3.4 材料的本构模型
• 3.4.1 围岩的本构模型
• 3.4.2 喷射混凝土的本构模型
• 3.4.3 锚杆的本构模型
• 3.4.4 接触面的本构模型
• 3.4.4.1 接触问题的描述
• 3.4.4.2 施加约束的方法
• 3.4.4.3 ABAQUS模拟接触
• 3.4.4.4 剪应力限值的确定
• 3.5 隧道开挖过程围岩与支护结构的相互作用模拟
• 3.5.1 隧道开挖过程的力学描述及有限元模拟
• 3.5.2 锚杆与围岩的相互作用
• 3.5.3 喷层与围岩的相互作用
• 3.5.4 两种计算模型
• 3.5.5 有限元计算结果分析
• 3.5.5.1 模型一有限元计算结果及分析
• 3.5.5.2 模型二有限元计算结果及分析
• 3.5.5.3 两种模型对比分析
• 3.6 本章小结
• 4 锚喷支护体系参数敏感性分析
• 4.1 锚杆长度的影响分析
• 4.1.1 锚杆长度对锚杆最大主应力的影响
• 4.1.2 锚杆长度对衬砌内力的影响
• 4.1.3 锚杆长度对围岩应力的影响
• 4.1.4 锚杆长度对围岩位移的影响
• 4.2 锚杆间距的影响分析
• 4.2.1 锚杆间距对锚杆最大主应力的影响
• 4.2.2 锚杆间距对围岩和喷层应力的影响
• 4.2.3 锚杆间距对围岩位移的影响
• 4.3 喷层厚度的影响分析
• 4.3.1 喷层厚度对锚杆最大主应力的影响
• 4.3.2 喷层厚度对喷层、围岩应力的影响
• 4.3.3 喷层厚度对围岩位移的影响
• 4.4 隧洞埋深的影响分析
• 4.4.1 隧道埋深对锚杆受力的影响
• 4.4.2 隧道埋深对喷层、围岩应力的影响
• 4.4.3 隧道埋深对围岩位移的影响
• 4.5 摩擦系数对相互作用的影响分析
• 4.5.1 摩擦系数对围岩应力的影响
• 4.5.2 摩擦系数对喷射混凝土应力的影响
• 4.5.3 摩擦系数对围岩位移的影响
• 4.5.4 摩擦系数对接触压力的影响
• 4.6 本章小结
• 5 围岩变形和支护结构受力的现场监测
• 5.1 监测结果及分析
• 5.1.1 锚杆受力分析
• 5.1.2 围岩与支护结构接触压力分析
• 5.1.3 围岩位移分析
• 5.1.4 喷射混凝土应力分析
• 5.2 监测数据和数值模拟结果的对比分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录