【正文】 圖 46 全斷面開挖圖 (1)全斷面同時(shí)開挖 ，并施設(shè)初 襯； (2)施設(shè)二襯。 圖 42 力學(xué)模型圖 根據(jù)調(diào)研及研究，在 ANSYS 中建立 V 類圍巖彈塑性平面應(yīng)變有限元計(jì)算模型如下： 圖 43 網(wǎng)格劃分圖 畢業(yè)論文報(bào)告 24 弧形導(dǎo)坑法 其開挖次序見圖 44，施工過程描述 : (1)開挖弧形導(dǎo)坑 ① ，并施設(shè)初支 ； (2)在距離 ① 4m 后，開挖正面上合階 ② 并施設(shè)初支 ； (3)在距離 ② 4m 后開挖正面下臺(tái)階 ③ 及回填部分并施設(shè)初支 ； (4)在距離 ③ 4m 后封閉仰拱并施設(shè)仰拱上部回填 ⑤ ； (5)在距離 ③ 4m 后，修筑二次襯砌。該隧道長 839 m，埋深在 40 m 左右，位于 V 級(jí)黃土基巖區(qū) 域，開挖斷面面積達(dá) 170 m2，是中國開挖斷面面積最大的黃土隧道。在計(jì)算中圍巖、加固措施影響區(qū)和二次襯砌均采用 Plane42 單元加以 畢業(yè)論文報(bào)告 21 模擬 ,隧道初襯結(jié)構(gòu)采用 Beam3 加以模擬 。對(duì)無活性單元的單元載荷 (壓力、熱通量、熱應(yīng)變等等 )被設(shè)置為零。 對(duì)于 DP 材料，其受壓時(shí)的屈服強(qiáng)度大于受拉時(shí)的屈服強(qiáng)度。當(dāng)該 準(zhǔn)則 所表示 的圓 錐面為 Mohr—Coulomb 準(zhǔn)則的六邊形外頂點(diǎn)的外接圓時(shí)， α、 K 的取值為： 畢業(yè)論文報(bào)告 19 ? ???? si n33 si n2 ?? (38) ? ???s in33 c o s6 ?? cK (39) 當(dāng)其為六邊形內(nèi)頂點(diǎn)的外接圓時(shí)， α、 K 的取值為： ? ???? s in33 s in2 ?? (310) ? ???s in33 c o s6 ?? cK (311) 圖 31 Drucker—Prager 屈服面 圖 31 為 Drucker—Prager 屈服面， Drucker—Prager 準(zhǔn)則考慮了中間主應(yīng)力對(duì)屈服和破壞的影響，而且屈服面光滑，可以避免 Mohr—Coulomb 準(zhǔn)則屈服面在棱角處引起的數(shù)值計(jì)算上的困難，但該準(zhǔn)則沒有考慮屈服和破壞的非線性特性，對(duì)實(shí)際破壞條件的逼近較差。其塑性行為被假定為理想彈塑性。 ANSYS 軟件提供了多 種塑性材料選項(xiàng)，但通常用 Drucker—Prager (DP)材料來模擬混凝土、巖石和土壤等顆粒狀材料。 Ansys 軟 件平面彈塑性分析過程 一個(gè)典型的彈塑性 ANSYS 分析過程可分為 3 個(gè)步驟： 在建立 ANSYS 的實(shí)體模型劃分網(wǎng)格之前，有時(shí)需要作一些準(zhǔn)備工作，包括：指定工程名和分析標(biāo)題、定義單位、選擇分析的學(xué)科、定義單元類型、定義單元常數(shù)等。非線性問題主要是用 Newton－ Raphnso 方法。 ANSYS 的基本分析步驟如下： (1)建模：針對(duì)不同的問題，可進(jìn)行實(shí)體建模，也可采用模擬建模，建模的原則是簡單、高效、且能反映實(shí)際問題的特征。該軟件提供了不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分及利用 ANSYS 參數(shù)設(shè)計(jì)語言擴(kuò)展宏命令功能。到 80 年代初期，國際上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有： ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP 等。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無法進(jìn)行。 (35) 由總剛度矩陣形成的整體結(jié)構(gòu)平衡方程： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。集合 所有的單元的平衡方程，建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程。 ——單元節(jié)點(diǎn)力矩陣， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 利用應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系即物理方程，推導(dǎo)出應(yīng)力的表達(dá)式 ： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (3)單元特性分析。不管哪類位移單元，采用矩陣符號(hào)并建立相關(guān)的矩陣方程，單元中任意一點(diǎn)的位移矩陣 d，均可用該單元節(jié)點(diǎn)位移排列成的矩陣，又稱單元節(jié)點(diǎn)位移矩陣，表示為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。這些單元體被認(rèn)為僅僅在單元的集合體來代替原來分析得結(jié)構(gòu)，并在單元體得指定點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)，使相鄰單元的有關(guān)參數(shù) 具有一定的連續(xù)性。 (3)采用矩陣形式表達(dá)，便于程序的編制，可以充分利用高速計(jì)算機(jī)所提供的方便 。 (3)把所有單元的這種特性關(guān)系按一定的條件 (變形協(xié)調(diào)條件 )集合起來，引入邊界條件，構(gòu)成一組以節(jié)點(diǎn)變量 (位移 )為未知量的代數(shù)方程組，求解之就得到有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處的待求變量。目前，有限元發(fā)已成為工程設(shè)計(jì)中不可或缺的一種重要方法。本文采取的主要分析方法即為數(shù)值分析法。此類方法以作用在無限半空間的集中荷載引起豎向沉降的 Boussinesq 解析解為基礎(chǔ)，或以 Mindlin 解析解為基礎(chǔ)，可得到各類己知分布荷載作用下沉降解析解。于是，在荷載的作用下復(fù)合地基的總沉降量 S 可表示為兩部分之和，即 S=S1十 S2。 復(fù)合地基現(xiàn)有沉降理論與方法 盡管復(fù)合地基大量使用于工業(yè)與民用建筑基礎(chǔ)、交通路基工程等領(lǐng)域，但長期以來，復(fù)合地基沉降計(jì)算理論還不夠成熟，至今仍無明確的規(guī)范可用，基本上是參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及一些推薦方法。目前在黃土地區(qū)工程實(shí)踐中廣泛采用的地基處理措施有換填墊層法、強(qiáng)夯法、擠密樁法、堆載預(yù)壓法等等，而目前最為流行的是擠密樁法、碎石樁、 CFG 樁等復(fù)合地基處理的方法。z——上述加壓穩(wěn)定后的土樣，在浸水作用下，下沉穩(wěn)定后的高度 ； hi——第 i 層土的厚度 (cm) ； β0——因土質(zhì)地區(qū)而異的修正系數(shù)，可查表。 評(píng)價(jià)濕陷的標(biāo)準(zhǔn)為 : (1)當(dāng) s 時(shí)，應(yīng)定為非濕陷性黃土 ； (2)當(dāng) s≥ 時(shí)，應(yīng)定為濕陷性黃土。 黃土的濕陷性評(píng)價(jià) 濕陷性評(píng)價(jià)包括濕陷性判定及場地濕陷等級(jí)兩個(gè)方面。新近堆積黃土一般為高壓縮性，且其峰值往往在不到 200 kPa 時(shí)出現(xiàn)，壓縮系數(shù)最大值達(dá)到 1. 0 一 2. 0 MPa1。 :飽和度 Sr愈小，土的濕陷系數(shù)愈大?？紫侗仁怯绊扅S土濕陷性的主要指標(biāo)之一。覆蓋在上述黃土及河谷階地之上的為晚更新世 (Q3)馬蘭黃土及全新世早期 (Q41)黃土稱為新黃土。黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一旦遭到破壞，如浸水、擾動(dòng)等，黃土的力學(xué)性質(zhì)就會(huì)發(fā)生顯著變化，處于欠壓密狀態(tài)的黃土在浸水后將產(chǎn)生顯著的附加變形即濕陷變形，形成了黃土的濕陷性?？梢赃@樣認(rèn)為，黃土的結(jié)構(gòu)性是黃土工程性質(zhì)的本質(zhì)。 黃土是一種具有獨(dú)特工程性質(zhì)的特殊性土。 黃土工程特性 黃土是一種在特定地 理環(huán)境條件下第四紀(jì)以來沉積和成壤的地質(zhì)體，為構(gòu)成中國西北黃土高原的主體。如何盡量避免高速度的旅客列車在隧道內(nèi)發(fā)生事故和災(zāi)害，以及旅客列車在隧道內(nèi)因故停車時(shí)，如何快速疏散乘客，發(fā)生災(zāi)害事故時(shí)如何快速救援等，是客運(yùn)專線隧道應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題，相對(duì)普速客貨共線的鐵路隧道來講，客運(yùn)專線隧道對(duì)防止發(fā)生事故和災(zāi)害以及快速救援的要求更高。 ② 長度 20 m 或以上的均勻沉降地段，允許沉降量可增加到上述規(guī)定值的 2倍。國外高速鐵路提倡高速鐵路工后沉降為零的理念。例如，客運(yùn)專線隧道內(nèi)對(duì)襯砌混凝土的裂縫要求就特別嚴(yán)格，因?yàn)榭瓦\(yùn)專線隧道內(nèi)空氣壓力在不斷的變化，特別是洞內(nèi)會(huì)車情況下，壓力的波動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的表層穩(wěn)定是不利的。 畢業(yè)論文報(bào)告 8 (2)結(jié)構(gòu)可靠性和耐久性要求高 所謂可靠性，是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在正常規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力，包括安全性、適用性和耐久性。高速列車通過隧道時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的空氣動(dòng)力學(xué) 效應(yīng)，如壓力波動(dòng)、出口處微氣壓波、洞內(nèi)行車阻力增大等，這些均是列車速度目標(biāo)值比較高的客運(yùn)專線隧道的顯著特點(diǎn)。按照日本標(biāo)準(zhǔn)和國際隧道協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，鄭西客專隧道的凈空斷面為 100 m2，屬于大斷面隧道。運(yùn)用大型通用軟件 ANSYS 有限元程序進(jìn)行荷載一結(jié)構(gòu)模式 畢業(yè)論文報(bào)告 6 計(jì)算的。 本文研究內(nèi)容 與方法 本文 總結(jié)了大斷面黃土隧道的研究現(xiàn)狀及存在的主要問題，分析了隧道斷面分類、高速鐵路隧道施工特點(diǎn)、黃土隧道工程特性、黃土地基沉降及其加固的理論。 目前，國內(nèi)外對(duì)高速鐵路超大斷面黃土隧道設(shè)計(jì)與施工的研究主要存在以下幾個(gè)方面的問題 : 由于黃土地層性狀復(fù)雜，不同地區(qū)隧道所處黃土地層其黃土 成因及類型、含水量、濕陷等級(jí)等各異，相關(guān)工程力學(xué)指標(biāo)和工程特性差異較大 ； 國內(nèi)目前設(shè)計(jì)、施工和投入運(yùn)營的黃土隧道多為單線或雙線隧道，對(duì)于特大斷面黃土隧道，國內(nèi)外尚無類似的工程實(shí)例，無論從設(shè)計(jì)還是施工方面，均缺乏經(jīng)驗(yàn)與理論指導(dǎo) ； 高速客運(yùn)專線對(duì)隧道質(zhì)量要求更高，施工應(yīng)有效控制地面沉降、確保有關(guān)交通運(yùn)營設(shè)施安全 ； 隧道內(nèi)線路要求有高度的平順性，位于濕陷性黃土等軟弱地層中的隧道基底應(yīng)采用有效加固措施，嚴(yán)格控制工后沉降 ； 黃土地區(qū)具有地表沖溝發(fā)育、黃土邊坡陡立等特性，當(dāng)隧道穿越陡峻的黃土邊坡時(shí)，會(huì) 出現(xiàn)岸坡穩(wěn)定等問題。提出了深埋與淺埋黃土隧道的界定標(biāo)準(zhǔn)，推導(dǎo)出了淺埋黃土隧道圍巖壓力計(jì)算公式，給出了初期支護(hù)與二次襯砌荷載分擔(dān)比例 。若出現(xiàn)濕陷，則需要采取相應(yīng)的措施處理濕陷黃土。進(jìn)入塑性狀態(tài)后，其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系也可用鄧肯一張的雙曲模型或其他組合曲線模型 [1]。在洞周一定范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)土體變形有突然的、明顯的變化，而是由洞周至地表逐漸減少，最大變形發(fā)生在拱頂。 大量的工程實(shí)踐表明，無支護(hù)黃土硐室一般均不能保持長期穩(wěn)定。逆作法工程的經(jīng)驗(yàn)表明 :采用這種方法的地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和施工工效與施工過程中的時(shí)空分配合理性密切相關(guān)。從而提出 :① 圍巖的最大變形不超過洞徑的 1 %； ② 圍巖的應(yīng)力集中引起的塑性區(qū)范圍不超過錨桿加固區(qū) :③ 錨桿的拉力不超過允許拉拔力 :④ 噴層或襯砌的內(nèi)力滿足其強(qiáng)度要求。 (7)根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，土體的破裂角一般為 58 186。 (4)與土體變形相似，作用在襯砌上的圍巖壓力也沒有突然性，它是隨著掘進(jìn)與時(shí)間的增長而增長。塌方的主要特征是脆性剪切破壞。作為理論模型應(yīng)全面反映客觀實(shí)體，使人們能更深刻地認(rèn)識(shí)自然，并為改造自然提供依據(jù)，作為工程應(yīng)用，則力求使模型既能抓住所研究對(duì)象的最本質(zhì)東西，又簡單實(shí)用。 近 20 年來隨著計(jì)算技術(shù)的迅速發(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。 (3) 70 年代提出了以工程地質(zhì)類比為主，力學(xué)計(jì)算為輔，必要時(shí)用實(shí)測的方法指導(dǎo)設(shè)計(jì)。按照普氏理論設(shè)計(jì)的隴海線三門峽至撞關(guān)段 13 座雙線黃土隧道分別于 1959~1960 年建成，至 1964 發(fā)現(xiàn)了不同程度的裂縫。但是對(duì)黃土地下建筑設(shè)計(jì)計(jì)算理論進(jìn)行系統(tǒng)研究，還是從 60 年代初開始的。因此對(duì)大斷面黃土隧道進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究已顯得非常迫切，開展大斷面黃土隧道的研究工作有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。 綜上所述，對(duì)大斷面黃土隧道進(jìn)行系統(tǒng)的研究是必要的。具體有 :，格柵嚴(yán)重彎曲變形 ； ，變形很大，發(fā)生塌方 ； 題 : ； ，地表發(fā)生裂縫和錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。 黃土一般發(fā)育于氣候干燥、降雨量少，蒸發(fā)量大的干旱半干早地區(qū)，由于其特定的生成環(huán)境、發(fā)生歷史、氣候條件、物質(zhì)成分等，因而在沉積過程中形成了其特有的結(jié)構(gòu)形式，表現(xiàn)出獨(dú)特的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。 關(guān)鍵詞： 大斷面，黃土隧道，弧形導(dǎo)坑 法， 數(shù)值模擬 畢業(yè)論文報(bào)告 ABSTRACT The first batch domestic proposed highspeed passenger dedicated line is from Zhengzhou to Xi 39。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文報(bào)告 摘 要 鄭州至西安的客運(yùn)專線為國內(nèi)首批擬建的高速客運(yùn)專線，該線位于中國黃土分布的中心地帶，全線穿過黃土段的隧道累計(jì)里程長達(dá) 65 km。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作 者 簽 名： 日