岩石锚杆和岩石参数对隧道周围应力分布的影响研究

论文摘要

本文采用弹塑性模型研究了岩石锚杆和岩石参数对隧道周围应力分布的影响。本研究的主要目标是:1)模拟隧道周围的应力分布和不同覆盖层厚度的隧道间的相互作用,并将其结果和弹性模型进行对比;2)研究材料参数对隧道周围的应力分布和不同覆盖层厚度的隧道间的相互作用的影响;3)研究多层岩石锚杆对隧道周围应力分布的影响,包括锚杆的位置和方向、覆盖层厚度及锚杆长度等。目标1)中,采用了一个直径2m的圆形隧道在不同覆盖层厚度150m、200m、300m和350m下的四个模型;目标2)中,建立了二个直径2m的圆形隧道在不同的覆盖层深度150m、200m、300m和350m下及不同的二个隧道间距离2D、3D、4D、5D、6D、7D下的六个模型;目标3)中,研究了隧道顶部和侧面的2m和1m长的多层锚杆的位置和方向的影响,不同覆盖层厚度的350m、300m、200m和150m的影响,及隧道间的距离对隧道周围应力分布的影响。本研究中采用的是弹塑性问题的有限元法。计算不同岩石覆盖层深度下的隧道周围应力分布时把岩石是作为非线性材料考虑的。数值分析结果表明,隧道周围的应力分布和应力集中是随着覆盖层深度而变化的。研究表明,弹塑性介质的应力集中系数比弹性介质的应力集中系数低。而且,两个隧道间的相互作用会随着隧道间距离的增加而降低。为定量地描述隧道间的相互影响,引入了一个临界距离,该临界距离定义为在同样的深度下,两个隧道的应力集中值和一个隧道的情况相等时该两隧道间的距离。根据给定的临界距离的概念,比较了不同覆盖层深度下的两隧道间的临界距离。考虑岩石粘聚力和内摩擦角的变化,进行了一个和二个隧道周围的应力分布的参数研究,内摩擦角? = 340保持不变,粘聚力c的值分别为0.15MPa, 0.30MPa, 0.45MPa, 0.60MPa, 0.75MPa, 0.90MPa, 1.05MPa, 1.20MPa, 1.35MPa and 1.50MPa;粘聚力c= 0.75MPa保持不变,内摩擦角?的值分别为180, 220, 260, 300, 340, 360, 420 ,460 , 500 and 540。将这两组参数用于在不同覆盖层厚度150m, 200m, 300m and 350m及不同隧道间距离2D, 3D, 4D, 5D, 6D and 7D下的一个和二个隧道模型的建立。数值分析结果表明,一个和二个隧道周围的应力集中随着粘聚力和内摩擦角的增大而增大。分别获得了随粘聚力和内摩擦角的增大,隧道边界最大应力变化的准则。最后,用弹塑性模型模拟了锚杆位置和方向、覆盖层厚度、锚杆长度等对隧道周围应力分布的影响。获得了一个重要的发现,那就是,仅在隧道底部和侧面安装锚杆时,随着覆盖层厚度的增加,隧道底部的拉应力区域会迅速增大,这是非常危险的。这表明不仅要考虑应力集中区域的影响,还应考虑整个隧道周围应力分布的情况。另外,隧道周围的岩石锚杆能明显地减少应力集中区域的大小和应力集中系数的大小,尤其是当岩石锚杆安装在高应力区的时候。这些研究结果在隧道工程设计中如何确保工程安全和经济是非常重要的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 INTRODUCTION
• 1.1 MOTIVATION
• 1.2 LITERATURE REVIEW
• 1.3 RESEARCH OBJECTIVES
• 1.4 ACHIEVEMENTS
• 2 FINITE ELEMENT METHOD DEVELOPMENTS （FEMDS）
• 2.1 INTRODUCTION
• 2.2 THE WAY FINITE ELEMENT METHOD WORKS
• 2.3 APPLICATIONS OF THE FINITE ELEMENT METHOD
• 2.4 THE ADVANTAGES OF THE FINITE ELEMENT METHOD
• 2.5 TYPES OF ANALYSIS ON STRUCTURES
• 2.6 CONTACT ANALYSIS
• 2.7 ANALYSIS OF ELASTO-PLASTIC PROBLEMS
• 2.8 THE METHOD OF FEM FOR SIMULATION OF ROCK MASS WITH BOLTS
• 2.9 CHAPTER SUMMARY
• 3 DESIGN AND REINFORCEMENT METHODS FOR TUNNELS
• 3.1 INTRODUCTION
• 3.2 DESIGN METHODS FOR UNDERGROUND TUNNELS
• 3.3 TUNNEL REINFORCEMENT METHODS
• 3.4 NEW AUSTRIAN TUNNELLING METHOD （N.A.T.M）
• 3.5 THE REINFORCEMENT SYSTEM MECHANICS
• 3.6 THE LOAD TRANSFER CONCEPT FOR REINFORCEMENT SYSTEM
• 3.7 CHAPTER SUMMARY
• 4 SIMULATION OF STRESS DISTRIBUTION AROUND TUNNELS AND INTERACTION BETWEEN TUNNELS
• 4.1 INTRODUCTION
• 4.2 SIMULATION METHODOLOGY
• 4.3 STRESS CONCENTRATIONS RESULTS AROUND TUNNEL FOR ELASTIC MODEL
• 4.4 STRESS CONCENTRATIONS RESULTS AROUND TUNNEL FOR ELASTO-PLASTIC MODEL
• 4.5 CONTOUR PLOTS
• 4.6 RESULTS OF SIMULATIONS AND ANALYSIS
• 4.7 CHAPTER SUMMARY
• 5 PARAMETER STUDIES OF STRESS DISTRIBUTION AROUND TUNNELS AND INTERACTION BETWEEN TUNNELS
• 5.1 INTRODUCTION
• 5.2 SIMULATION METHODOLOGY
• 5.3 RESULTS OF SIMULATIONS AND ANALYSIS
• 5.4 CHAPTER SUMMARY
• 6 EFFECTS OF ROCK BOLTING ON THE STRESS DISTRIBUTION AROUND TUNNELS
• 6.1 INTRODUCTION
• 6.2 MECHANISM OF ROCK BOLTS IN CIRCULAR TUNNEL
• 6.3 SIMULATION METHODOLOGY
• 6.4 CONTACT ELEMENT FOR BOLTS MODELING
• 6.5 RESULTS OF SIMULATIONS AND ANALYSIS
• 6.6 CHAPTER SUMMARY
• 7 CONLUSIONS AND RECOMENDATIONS
• 7.1 CONCLUSIONS
• 7.2 RECOMMENDATIONS FOR FURTHER STUDIES
• ACKNOWLEDGEMENTS
• REFERENCES
• RELATED PUBLICATIONS
• ANNEXES