【正文】 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 高速鐵路大斷面黃土隧道施工數(shù)值模擬 畢業(yè)論文報(bào)告 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日 期： 畢業(yè)論文報(bào)告 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的 復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。黃土因其具有特殊的成分和性質(zhì)而 在工程地質(zhì)中占據(jù)特殊的地位 ， 其工程特征表現(xiàn)出與普通巖石隧道相當(dāng)大的差異，鄭州至西安鐵路客運(yùn)專線黃土隧道特征最具典型性 ,圍巖屬 V 級 Q3 新黃土。an. The line is located in the center of loess distribution, and the whole line across the loess section is almost 65 km. Because of its special position and properties, loess occupies a special place in the engineering geology, and the engineering features show considerable difference with ordinary rock tunnel. The line from Zhengzhou to Xi 39。特別是受水浸蝕后結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著下沉現(xiàn)象，對建筑工程的安全穩(wěn)定和正常使用有著巨大的影響。 我國黃土地區(qū)幅員遼闊，面積達(dá)六十多萬平方公里，鄭西客運(yùn)專線位于中國黃土分布中心地帶，該線隧道穿過黃土段落較長。隨著國家西部大開發(fā)政策的推行，在西部廣大黃土地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)正日益加強(qiáng)。 國內(nèi)外黃土隧道研究現(xiàn)狀及存在的問題 肥沃的黃土地孕育了中華文明。以往在地下洞室設(shè)計(jì)計(jì)算所采用的模型是 “荷載一結(jié)構(gòu) ”模型，即把作用襯砌上的圍巖壓力作為外加荷載施加到模型上，只要荷載確定了，就像地面建筑結(jié)構(gòu)一樣，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，進(jìn)行襯砌的設(shè)計(jì) 計(jì)算。大量工程實(shí)踐表明 :普氏理論對我國黃土洞室不適用。 (4) 90 年代至今，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，土體應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的研究逐漸深入，出現(xiàn)了各種各樣的彈塑性應(yīng)力一應(yīng)變模型。然而由于土體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不同的應(yīng)力水平和路徑都會影響它的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，要全面反映土體的力學(xué)特性往往是相當(dāng)困難的。一個(gè)最好的模型應(yīng)是既能解決工程問題且又是最簡單的模型 [2]。 (2)現(xiàn)有的黃土洞室埋深大多在 20~ 50 m，這些洞室的襯砌大部分是 “薄 ”襯 畢業(yè)論文報(bào)告 3 砌 (相對于普氏理論計(jì)算出的襯砌厚度 )。 (5)雙線隧道上的土體破壞一般不能形成所謂普氏壓力拱，采用普氏理論設(shè)計(jì)與實(shí)際壓力分布不符。~ 63 186。研究結(jié)果表明 :① 新奧法施工方案在該大斷面高水頭飽和黃土圍巖中能夠成洞 ； 只需緊跟掌子面噴護(hù)，掛網(wǎng) 25 cm加系統(tǒng)錨桿形成柔性支護(hù)圈即可維持圍巖穩(wěn)定 ； ② 雙洞中心相距 倍洞徑時(shí)應(yīng)力與變形的相互影響小于 5 %； ③ 雙洞合一的掏槽一次永久襯砌方案也可成洞，且施工技術(shù)要求最低，但洞周變形最大 (約 140 mm) ； ④ 雙洞合一的預(yù)制混凝土超前壓樁襯砌方案雖施工工藝復(fù)雜，但卻能最大限度的限制圍巖變形 (最大沉降小于 10 mm)，在重要建筑物底下穿過時(shí)，可能是首選方案 [3]。在黃土地區(qū)已往開挖工程的經(jīng)驗(yàn)還表明 :高濕度 Q2黃土在施工開挖中具有明顯的時(shí)效特征。在現(xiàn)有的工程中常用的洞形及高跨比下黃土銅室的塌方首先發(fā)生在拱肩或兩側(cè)，然后隨著 畢業(yè)論文報(bào)告 4 洞形及應(yīng)力條件的惡化向洞頂發(fā)展，塌方的主要特征是脆性剪切破壞。對于埋深 20~50 m，跨度 6~10 m 的洞室，拱頂最大下沉量約 3~5 cm，地表沉降量很小，土體變形隨著掘進(jìn)和時(shí)間的增長而增長，增長速率開始較快，以后逐漸減慢，并趨于穩(wěn)定，基本穩(wěn)定時(shí)間 3 ~4 個(gè) 月。 韓斌、朱庭勇等研究指出，黃土地區(qū)修建各種建筑物時(shí)，要充分考慮建造區(qū)域黃土的濕陷性。 (3)邊墻出現(xiàn)受拉區(qū)，在施工過程中，要加強(qiáng)監(jiān)測 [5]. 凌榮華等研究了大跨度深埋黃土隧道在其它條件不變的前提下，隧道開挖時(shí)黃土的變形破壞規(guī)律和襯砌中內(nèi)力的分布規(guī)律，指出 :黃土大跨度深埋隧道在不同開挖方式下的變形破壞規(guī)律是存在本質(zhì)區(qū)別的， 導(dǎo)致這本質(zhì)區(qū)別的原因在于被開挖體的形狀特征、初始與開挖過程中應(yīng)力場特性、土體的強(qiáng)度特征以及襯砌的力學(xué)性質(zhì)和過程 ； 不同的開挖方式?jīng)Q定了大跨度深埋黃土隧道的襯砌中內(nèi)力分布規(guī)律根本不同，這就可以對開挖方式與襯砌形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對工程實(shí)踐具有明確的指導(dǎo)意義。在巉柳高速公路土家灣隧道施工過程中，針對飽和黃土圍巖無法掘進(jìn)施工的難題，按照課題研究成果，對飽和黃土地段圍巖進(jìn)行了加固處治，提出的設(shè)計(jì)方法和施工工藝，為類似地質(zhì)條件下的黃土隧道設(shè)計(jì)與施工提供了成功經(jīng)驗(yàn) [2]。 高速鐵路隧道的技術(shù)性和黃土濕陷特性決定了修筑高速鐵路隧道的技術(shù)難點(diǎn)。核心部分 針對高速鐵路隧道的技術(shù)特點(diǎn)、黃土的工程特性及大斷面黃土隧道修筑中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，以數(shù)值分析作為研究手段，應(yīng)用大型通用有限元軟件 ANSYS 為計(jì)算手段 ， 將弧形導(dǎo)坑法與全斷面開挖 法 進(jìn)行了 比 選，并對襯砌結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評價(jià)。分析計(jì)算結(jié)果，對比己有工程的量測數(shù)據(jù)及規(guī)范規(guī)定量值，對結(jié)果的合理性、可靠性進(jìn)行判定 :若合理，則通過分析，提出研究結(jié)論 ； 若不合理，則需要重新對計(jì)算參數(shù)進(jìn)行修正與優(yōu)化，并重新計(jì)算。 表 21 日本隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn) 劃分 凈空斷面積 /m2 說明 標(biāo)準(zhǔn)斷面 70~80 雙車道 大斷面 80~140 有人行道的雙車道隧道 超大斷面 140 與路面寬相同的三車道 表 22 國際隧道協(xié)會隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn) 劃分 凈空斷面積 /m2 超小斷面 3 小斷面 3~10 中等斷面 10~50 大斷面 50~100 超大斷面 100 高速鐵路隧道施工特點(diǎn) 客運(yùn)專線鐵路以其運(yùn)行速度高、線路平順性要求高、安全舒適、節(jié)約時(shí)間等特點(diǎn)，比其他交通工具有更多的優(yōu)越性?？諝鈩?dòng)力學(xué)效應(yīng)會帶來諸如乘客不適，進(jìn)出口環(huán)境噪音，隧道維護(hù)人員不安全等一系列問題。當(dāng)以概率來度量時(shí)，成為結(jié)構(gòu)的可靠度。歐洲及日本的研究成果表明 :同樣的一條裂紋，對普速鐵路隧道來說在外荷載停止發(fā)展后，將不再繼續(xù)變化，而客運(yùn)專線隧道就不同了，即使外荷載停止了發(fā)展，但在頻繁變化的 洞內(nèi)空氣壓力波的作用下，裂縫還將繼續(xù)發(fā)展，從而降低隧道襯砌耐久性和使用功能，甚至危及行車安全。以下為德國工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。 ③ 對于路堤高度大于 10 m 及位于兩橋間距離大于 5000 m 的路基，若最大工后沉降小于 6 cm且滿足調(diào)整后的軌道豎曲線半徑 ra，即在 350 km/h 速度條件下， 10 m 范圍內(nèi)沉降差不超過 2 mm，不影響無碴軌道高速運(yùn)營 ； ④ 運(yùn)營后沉降速率不大于 2 mm/年。 畢業(yè)論文報(bào)告 9 (5)對環(huán)境的影響更加明顯 對環(huán)境的影響更加明顯環(huán)境包括 自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和周邊人文環(huán)境，客運(yùn)專線列車以較高的速度運(yùn)行，其產(chǎn)生的輪軌噪聲、機(jī)械噪聲、弓網(wǎng)噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)等噪聲將比普速列車明顯，對環(huán)境的影響也比普速列車大。我國黃土分布面積達(dá)到 60 余萬平方公里，分布連續(xù)、地層齊全、厚度大為其主要特點(diǎn)。黃土的特殊性除了表現(xiàn)在它的地質(zhì)特征，微觀結(jié)構(gòu)特征以及其它物理性質(zhì)以外，從巖土工程意義來說，黃土的特殊性質(zhì)最主要的是它的力學(xué)性質(zhì)特別是強(qiáng)度和濕陷特性。黃土 的結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)為具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，即具有保持土原始基本單元結(jié)構(gòu)形式不被破壞的能力。因此可以認(rèn)為黃土的結(jié)構(gòu)性和欠壓密性是黃土具有濕陷性的基本內(nèi)因。在全新世上部，部分地段還有新近堆積黃土存在，稱為 Q24 黃土。 :黃土的天然含水量與濕陷性關(guān)系密切。 :是決定黃土性質(zhì)的另一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)液限在 30%以上時(shí)，黃土的濕陷較弱且多為自重濕陷性黃土。 (1)當(dāng)黃土的含水量低于塑限時(shí)，水分的變化對強(qiáng)度的影響最大，但當(dāng)含水量大于塑限時(shí)，含水量對抗剪強(qiáng)度的影響減小，而超過飽和含水量時(shí)，抗剪強(qiáng)度的變化不大。 一、濕陷性判定 在一定壓力下的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)測定的濕陷系數(shù) ? s:應(yīng)按下式計(jì)算 : 畢業(yè)論文報(bào)告 11 039。 二、 場地濕陷類型和地基濕陷等級的劃分 場地的濕陷類型，應(yīng)按實(shí)測自重濕陷量或計(jì)算自重濕陷量判定。 黃土隧道地基的濕陷性問題 新建鄭西客專隧道穿越第四紀(jì)各期黃土地層，其洞口段及橋隧相連段多位于具濕陷特征的 Q Q4黃土地層中，需要進(jìn)行地基加固處理，以避免產(chǎn)生過大的地基沉降變形。 復(fù)合地基的加固效果雖不及混凝土灌注樁，但性價(jià)比高，也能滿足工程的 要求。總結(jié)起來，目前各種各樣的沉降計(jì)算方法可歸納為以下幾個(gè)大類 : (1)分層總和法 這種方法原理比 較簡單，計(jì)算方便，現(xiàn)有的各種各樣的分析方法均是以分層總和為基礎(chǔ)。至今所提出的復(fù)合地基沉降實(shí)用計(jì)算方法中，對下臥層壓縮量 S2，大都采用分層總和法計(jì)算，例如假定一個(gè)擴(kuò)散角，便可按早期的分層總和法進(jìn)行計(jì)算 ； 而對加固區(qū)范圍內(nèi)土層 的壓縮量 S1，可采用一種或幾種計(jì)算方法計(jì)算，這些方法有復(fù)合模量法、 Es 法、應(yīng)力擴(kuò)散法、等效實(shí)體法等等，限于篇幅，此處不再一一詳列。但是由于受到其理論本身的限制，如線彈性、均質(zhì)等前提條 件，使得其計(jì)算在實(shí)踐推廣中遇到很大的困難。 畢業(yè)論文報(bào)告 14 第三章 數(shù)值模擬方法簡介 有限元的基本思想和優(yōu)點(diǎn) 有限元法是適應(yīng)電子計(jì)算機(jī)的使用而發(fā)展起來的一種比較新穎和有效的數(shù)值計(jì)算方法。 有限元法的基本思想 : (1)假想把連續(xù)系統(tǒng) (包括桿系，連續(xù)體，連續(xù)介質(zhì) )分割成數(shù)目有限的單元，單元之間只在數(shù)目有限的指定點(diǎn) (稱為節(jié)點(diǎn) )處相互連接，構(gòu)成一個(gè)單元集合體來代替原來的連續(xù)系統(tǒng)。 所以，有限元法實(shí)質(zhì)上是把具有無限個(gè)自由度的連續(xù)系統(tǒng)，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問題。 有限元數(shù)值模擬過程 (1)結(jié)構(gòu)的離散化。結(jié)構(gòu)離散時(shí)，劃分的單元的大小和數(shù)目應(yīng)根據(jù)計(jì)算精度的要求和計(jì)算機(jī)的容量來決定。 。 利用應(yīng)變和位移之間的關(guān)系即幾何方程，將得出單元任一點(diǎn)應(yīng)變與單元節(jié)點(diǎn)位移 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (33) 式中 D——單元材料彈性常數(shù)所確定的彈性矩陣， S——應(yīng)力矩陣。 ——單元等效荷載矩陣， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。先將每個(gè)的單元?jiǎng)偠染仃嚭铣烧w剛度矩陣，再將各單元的等效節(jié)點(diǎn)力集合成總的荷載陣列 —總剛度矩陣 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (36) 引入結(jié)構(gòu)邊界條件，對方程組進(jìn)行求解，得出節(jié)點(diǎn)位移 ，進(jìn)而求個(gè)單元的內(nèi)力和變形。想要解答，必須先簡化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。以 ANSYS 為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個(gè)多用途的有限元法分析軟件，它從 1971 年的 版本與今天的 版本已有很大的不同，起初它僅提供結(jié)構(gòu)線性分析和熱分析，現(xiàn)在可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。 ANSYS 的主要技術(shù)特點(diǎn)是唯一能實(shí)現(xiàn)多場及多場耦合分析的軟件 , 唯一實(shí)現(xiàn)前 后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型 FEA 軟件，唯一具有多物理場優(yōu)化功能的 FEA 軟件 , 唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件 , 強(qiáng)大的非線性分析功能 , 多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置，支持異種、異構(gòu)平臺的網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng)，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一，數(shù)據(jù)文件全部兼容，強(qiáng)大的并行計(jì)算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存