吴翔天[1]2005年在《隧道结构失稳及可靠度研究》文中提出在地下工程结构分析中,人们常用传统的单一安全系数法,由于该方法不能考虑结构各参变量客观存在的随机特征,而存在诸多自身不能克服的弊端,本文用可靠度来度量结构的可靠性能,使工程设计更趋科学、合理,更能反映问题的本质。 本文在查阅大量文献的基础上,通过对隧道结构失稳原因的分析,探讨了隧道失稳的影响因素和失稳形式,同时对隧道失稳的判断依据进行了系统的阐述,确定了容许极限位移量作为本文隧道结构失稳模拟的判定依据。 论文依托秦岭Ⅰ号隧道工程,利用其有关资料,选用Druker-Prager准则作为岩体屈服准则对典型区段进行叁维非线性有限元分析。研究成果表明,拱腰部位出现应力集中,最大值出现在距拱脚1/3处,拱顶应力为最小;开挖、支护完成后,拱顶部位位移最大,拱腰次之,拱脚最小,此结果与现场监测相比分布基本一致。 目前,对类似隧道结构等大型地下洞室结构的可靠性分析已成为国内外有关学者的研究焦点之一,由于结构的复杂性,其结构功能函数无法用显式表达,以致无法直接使用一次二阶法及其改进方法。而且象这种大型的复杂结构采用蒙特卡洛法,将需上万次模拟,使之实用性受到质疑。为此,本文采用响应面法构造模拟函数,将响应面法与蒙特卡洛法相结合对秦岭Ⅰ号隧道进行可靠性分析。研究成果表明该段隧道结构处于稳定状态,可靠性分析中可以看出β值拱脚最大,拱腰次之,在拱腰上部1/3处可靠度变小而后变大,然后重新变小直至拱顶最小,与叁维非线性有限元分析和实际监测位移变化基本一致,且与蒙特卡罗法5000次模拟相比较误差控制在3%以内,因此本文方法是可行的。本文利用响应面法构造功能函数之后,计算结构的可靠指标时,一般只需迭代4～5次即能满足精度要求,此时响应面法相当于提高了蒙特卡洛法的抽样技术,有效地提高蒙特卡洛法的模拟效率。 本文通过对典型区段叁维非线性有限元分析、可靠度模拟研究及对现有监测资料的整理分析对比,获得了较为满意的结果。本文所提供的可靠度分析方法可行且基本上反映了隧道结构的实际稳定状态,本次模拟分析考虑的参数及分布特征基本能满足要求,实例证明该方法效率高,实用性强,用于地下结构的可靠性分析是可行的,在类似大型复杂结构的可靠度模拟中具有推广价值。
陈先国[2]2002年在《隧道结构失稳及判据研究》文中进行了进一步梳理隧道围岩历经多次而且反复的地质作用，经受过破坏，已经遭受过破坏的地质体再遭扰动或破坏时，其破坏规律亦有别于一般完整材料的破坏规律。其破坏规律很大程度上受岩体结构制约。同样，其变形也受岩体结构控制，其变形和破坏不能简单地用一般材料的变形规律和失稳判据来判断。目前隧道结构失稳研究的困难在于失稳模型不清楚，失稳判据不明确，面对的是“数据有限”的问题，且对岩体本身的破坏机理了解有限，存在大量的不确定性。 目前一直沿用加载岩体力学方面的基本理论研究失稳问题，但本文认为：由于卸荷与连续加载具有完全不同的应力路径和破坏效应，在破坏机理、二者引起的岩体的变形和破坏特性方面都有很大的不同，因此用加载力学来研究开挖卸荷破坏的力学特性及其稳定性，这显然不能得出与实际工程一致的结果。通过对实际工程的加载力学和卸载力学分析对比表明，卸载力学更接近工程实际。 应用突变理论，建立了关键承载层由一层完整岩体构成、一层厚断裂岩体构成、层状岩体构成及软弱夹层滑移的尖点突变失稳模型并得出了失稳的力学判据。根据模型，讨论了力的变化过程中岩体的稳定情况，并讨论了岩体临界失稳条件。在临界状态时，只要系统稍有扰动，则系统就会失稳；强扰动可以使失稳提前发生；将灰色理论和突变理论相结合，以能量突变为材料的破坏特征，提出隧道岩体开挖的灰色能量突变模型，通过实例分析表明，该失稳判据具有唯一性；对岩体失稳的过程分析表明，岩体的失稳过程实际上是耗散结构的形成过程、是岩体的自组织过程，围岩系统在演化过程中出现分叉和混沌现象。通过屈曲理论分析结果对比表明，弹性屈曲和突变失稳分析的结果比非线性屈曲分析的结果要大得多，非线性分析由于考虑了材料非线性和几何非线性，因而结果与实际接近实际；当只有初期支护时，随着地应力的增加，围岩的荷载分担率增大，相应地，初期支护的荷载分担率就减小了；当有初期支护和二次衬砌共同作用时，围岩的荷载分担率在50％以上，这一分担率随地应力的增加其变化不大；支护和岩体的整体分析表明，衬砌底拱及拱脚处应力集中严重，隧道岩体侧墙及墙角围岩的应力集中也较大。利用失稳量测的统计资料，研究了容许极限位移量、位移变化率、位移加速度和变形速率比判别围岩和支护结构整体失稳的标准并给出了失稳的 剿页X 西南交通大学借土研究生学位论文。——位移判据。在实际工程中，这些标准在量上都具有相对的意义，一般将这些标准综合利用来加以判别。
王齐林[3]2007年在《地下结构失稳及可靠度研究》文中进行了进一步梳理在岩土工程领域，地下结构的可靠性问题长期为人们所关注，特别是在我国交通事业极大发展时期，随着隧道的建设将越来越多，而且朝特长、大跨方向发展。由于隧道结构的复杂性，岩性参数的不确定性，使得可靠性问题更为突出。隧道结构的受力特点决定了其在设计、施工和使用过程中具有种种影响地下结构安全、适用和耐久性的不确定性，如随机不确定性、模糊不确定性和不完善性等。本文在查阅大量文献的基础上，通过对隧道结构失稳原因的分析，探讨了隧道失稳的影响因素和失稳形式，同时对隧道失稳的判断依据进行了系统的阐述，确定了容许极限位移量作为本文隧道结构失稳模拟的判定依据。论文依托狮子坪地下厂房Ⅰ号隧道工程，利用其有关资料，选用Druker-Prager准则作为岩体屈服准则对典型区段进行叁维非线性有限元分析、可靠度模拟研究及对现有监测资料的整理分析对比，获得了较为满意的结果。本文应用叁维弹塑性随机有限元及可靠度计算方法，从理论上对特定条件下地下洞室围岩进行了开挖模拟和可靠度计算讨论。地应力场是影响地下洞室围岩稳定的主要因素，考虑地应力实测值的不确定性和回归计算模型的不确定性，本文详细讨论了地应力场的概率分析方法；在地下洞室锚杆加固效应的随机模拟方面，考虑锚杆间距和锚杆材料特性的随机性，本文讨论了围岩锚杆加固的随机力学分析方法，为地下洞室围岩在锚杆加固后的安全性分析奠定了基础。渗流荷载是地下洞室围岩稳定的主要荷载之一，存在着不确定因素，本文讨论了一个简化模型可方便地计入渗流荷载随机性的影响。本文还讨论了围岩稳定的可靠度对不同材料的弹模和强度参数及地应力系数的敏感性计算方法。在工程应用实例部分，应用大型通用有限元软件ANSYS对狮子坪地下厂房Ⅰ号隧道的开挖过程进行了叁维有限元模拟分析，并分别对该型隧道周围的围岩位移、隧道围岩应力及隧道初期支护衬砌结构的内力进行了对比分析；讨论了特定情况下隧道结构可靠性分析在ANSYS上的实现，验证了随机有限元法的优越性。
姜鹏[4]2007年在《隧道结构叁维数值分析和可靠度计算》文中提出随着我国西部建设的高速发展和山区高速公路建设的需要，隧道工程特别是山区高速公路隧道工程将会日益增多，隧道支护结构的设计采用传统的隧道支护结构设计方法难以充分兼顾支护结构断面的合理性和支护结构承载力与稳定性的可靠性。本文用可靠度来度量结构的可靠性能，使工程设计更趋科学、合理，更能反映问题的本质。本论文首先对湖南邵(阳)—怀(化)高速公路雪峰山隧道区初始地应力场特征进行了研究，在综合分析隧道区地应力场的现场水压致裂法测试成果、室内Kaiser效应测试成果、叁孔交汇孔径变形法测试成果的基础上，通过非线性有限元仿真模拟隧道区初始地应力场的分布状态，得出的结果与实测地应力量值基本一致：隧道所在平面上的最大主应力值为16.7MPa～33.2MPa，最小主应力为0.1MPa～5.4MPa。主应力量值均具有随埋深的增大而升高的规律，但受控于岩体的力学性能与结构特征，在硬软相间部位或断层带附近，出现应力分异现象。最大主应力的最大值并不在隧道埋深最大的部位，而是略偏东，表明地质构造对主应力的分布具有较大影响，隧道区构造应力场较高。通过对隧道区初始地应力场的研究，了解了隧道施工中围岩和支护结构中的应力变化规律，为高地应力下灾害的预测与治理提供更多的依据，并为隧道结构的叁维数值模拟和可靠度计算提供了较精确的边界条件。通过对雪峰山隧道区工程地质条件的研究，包括区域地质与区域稳定性、地形地貌条件、地层岩性及工程地质岩组、地质构造及其应力场演化、水文地质条件等方面，结合现场对拱顶下沉、洞周收敛、地表下沉、围岩内部变形及支护后围岩变形等情况的监测，利用FLAC~(3D)进行隧道的叁维非线性数值分析，来考察隧道结构的空间效应所引起的变形和稳定性状况的变化，确定支护结构对于位移量控制的作用，为施工中采用合理的支护提供依据。同时，构造功能函数及各参变量分布形态，采用响应面法及蒙特卡罗法对雪峰山隧道结构进行确定性分析和可靠度研究。通过对雪峰山隧道结构的叁维数值模拟及可靠度计算对比分析，以及隧道位移的监测结果，对隧道结构的稳定性进行分析，为隧道的设计者提供一些有益的意见建议，并对以后的地下工程提供借鉴，为设计和施工的可靠性提供科学根据。通过对典型区段叁维非线性数值模拟研究、可靠度分析及对现有监测资料的整理分析对比，获得了较为满意的结果：雪峰山隧道的开挖基本上没有大变形发生，整个隧道的稳定性比较好。对几类围岩段所选取典型断面进行数值模拟和监测的结果都说明目前雪峰山隧道采用的支护方式是合理的，能够保证隧道围岩不发生大的位移，从而保证隧道的整体稳定性，可靠度分析中可以看出β值拱脚最大，拱腰次之，拱顶最小，与三维数值模拟结果基本一致。发生小规模塌方地段，围岩与衬砌的变形很大，原有的初始设计不能够维持围岩整体的稳定性，后采用了超前小导管注浆、变更支护参数和开挖模式的支护措施和施工方法，形成了比较稳定的承载拱，能够保证隧道围岩不发生大的位移，从而保证隧道的整体稳定性。本文所提供的可靠度分析方法可行且基本上反映了隧道结构的实际稳定状态，本次模拟分析考虑的参数及分布特征基本能满足要求，实例证明该方法效率高，实用性强，用于地下结构的可靠性分析是可行的，在类似大型复杂结构的可靠度模拟中具有推广价值。
姚延化[5]2013年在《基于塑性力学新方法的围岩稳定分析与优化研究》文中指出摘要：近年来,我国的隧道及地下工程工程得到了长足的发展,但与此同时,由于各种各样的原因,隧道及地下工程的安全事故也时有发生,这其中包括坍塌和塌方等严重安全事故,严重威胁着施工人员的人身安全并造成巨大的财产损失。如何安全又经济的对隧道及地下工程进行设计与施工,在当前形势下愈发重要。隧道及地下工程的围岩稳定性一直是岩土工程界研究的重点,但由于实际工程的岩土地质情况较为复杂,所以目前的围岩稳定性判别并没有统一的标准。本文从围岩应力场出发,运用塑性力学新方法结合工程实践进行理论分析与数值模拟,主要的研究内容如下：(1)回顾了隧道围岩稳定性研究和优化设计的发展现状,总结了围岩稳定分析和优化设计的若干问题和发展方向。(2)系统介绍了导致围岩失稳的各种因素和当前常见的叁种围岩稳定判据。(3)运用塑性力学新方法结合工程对隧道的应力状态进行研究分析,并就塑性力学新方法求出的应力场与经典方法求出的应力场进行对比分析。(4)依据塑性力学新方法推导出不同强度准则的圆形硐室临界破坏深度,并对非圆形截面的应力状态和围岩稳定性情况进行研究,分析了直墙圆拱截面不同直墙高度对围岩稳定性的影响。(5)以骡坪隧道为工程实例,采用塑性力学新方法计算隧道围岩应力场,然后对其截面形状和锚杆参数进行优化分析,得出基于新方法的优化结果。图112幅,表14个,参考文献82篇
张伟[6]2007年在《大断面黄土隧道稳定性参数指标研究》文中研究说明在黄土地区修建铁路隧道，黄土的特殊工程性质决定了黄土隧道结构的受力复杂性。大断面黄土隧道由于开挖断面大，开挖过程中将开挖断面分割成几个小块，因此，沿用现有的观测点布置方法进行测点布置和位移观测，存在一定的困难。现行的各种规范和技术指南给定的隧道稳定性判别指标大多是基于普通单线或双线铁路隧道的统计资料，用这些稳定性指标对大断面黄土隧道进行稳定性判断，存在一定的安全隐患。论文对大断面黄土隧道的围岩变形特征和围岩压力的形成机理进行了分析，并用有限元软件对不同埋深的隧道结构进行了模拟计算，结果表明，支护结构的围岩压力存在两种分布规律，即埋深15m左右时存在一种分布规律，而埋深大于35m时存在另一种分布规律，并且随着埋深的增加，围岩压力分布规律基本趋于一致。将初期支护视为普通型钢混凝土，采用荷载—结构模式对不同围岩压力分布规律下的支护结构进行了模拟计算，结果表明埋深15m分布规律时，墙腰处较容易发生破坏，而埋深70m分布规律时，墙脚附近的截面更容易发生破坏，可作为支护结构的控制截面。控制截面的位移变化除了与作用在结构上的围岩压力有关外，还受结构截面厚度和支护材料弹性模量的影响。本文给出了截面位移随截面厚度和材料弹性模量变化的曲线图，结果表明截面厚度大，材料弹性模量高，支护结构位移量小，结构较稳定，截面厚度变化对位移变化的影响较大。
罗跃锋[7]2014年在《大华山隧道围岩稳定性及结构可靠度研究》文中指出随着西部大开发战略稳步实施，我国交通基础设施建设得到了高速发展，给公路建设带来了前所未有的机遇和挑战。由于隧道工程具有独特的优势，因而在公路工程中被广泛的应用，并且取得了良好的社会经济效益。但是由于隧道支护结构通常所处的地质环境条件一般都比较复杂，围岩力学参数指标、计算模式、荷载和结构抵抗能力等比较难确定，使得目前采用传统的隧道支护结构的设计方法难以同时兼顾断面形式的经济合理性和支护结构的稳定性，具有一定的盲目性。因此，用结构可靠度理论来研究分析隧道支护结构的稳定可靠性，使隧道设计更加合理、科学，减少运营期间隧道的安全隐患，具有十分重要的实践和理论意义。本文在大量阅读和参考国内外相关文献的基础上，依托国家高速公路网郧县至十堰高速公路大华山隧道，通过对隧道区工程地质条件的研究，结合现场对围岩拱顶下沉和洞周收敛变形的监测，并对监测数据进行处理分析，利用FLAC3D建立隧道模型，对大华山隧道施工开挖过程中围岩应力应变特征进行分析，为施工中采用合理的支护提供依据。同时，建立功能函数及各参变量分布形态，采用蒙特卡罗法对大华山隧道支护结构进行可靠度研究。本文的主要内容和取得成果如下：（1）深入研究了隧道开挖过程中力学特性，分析了围岩应力、应变的变化过程，从地质因素、工程因素两大方面分析了影响大华山隧道围岩稳定性的不利因素，得出地下水、时间因素对大华山围岩稳定性影响比较大。（2）分析了隧道支护结构失稳破坏的原因和收敛比、变形速率比值、容许极限位移和变形速率与加速度等四种常用失稳判据，在此基础上通过对大华山隧道Ⅳ级与Ⅲ级围岩的相交围岩段的围岩变形监测数据进行回归分析，得出此段围岩变形趋于稳定的时间节点为27天左右，为隧道二衬施作时间提供参考依据。（3）采用FLAC3D软件对大华山隧道施工过程进行了数值模拟，对开挖过程中隧道的应力、应变进行了分析，得出隧道位移变形量与现场监测数据基本一致。并找出隧道拱腰（上下台阶开挖分界处）、拱顶和拱脚部位是围岩稳定性的薄弱部位，为隧道后续施工和监测提供指导。（4）基于MATLAB软件采用蒙特卡洛算法和设计验算点法计算比较各种工况下的可靠指标并对其分析，得出隧道支护结构是稳定的，采用的支护结构是合理的，为大华山特长隧道围岩稳定性评价及其支护技术提供理论依据和科学指导，也对其他类似工程施工有一定的借鉴和指导意义。
陈志强[8]2010年在《某公路隧道施工过程数值模拟及结构可靠度分析》文中研究说明随着我国交通事业的迅速发展和城市化进程的不断推进,地下工程在公路、铁路和市政建设等领域得到了空前的发展,不论是数量还是规模都是巨大的。隧道工程作为最普遍的一种地下工程,其建设的数量也会日益增多,目前现有的隧道支护结构的设计方法难以兼顾断面的合理性和支护结构的承载力和稳定性。本文用可靠度来分析结构的稳定性,使隧道工程设计更加合理、科学,更能反映问题的实质。本文以连霍高速甘肃省内某分离式公路隧道为研究对象,针对隧道施工过程中的力学响应和隧道结构可靠度进行了系统的研究。本文的主要研究内容如下：(1)采用FLAC3D数值模拟的手段,对隧道施工过程进行数值模拟。结合岩土材料的非线性特性,阐述了隧道施工过程的数值计算理论和模拟方法。根据FLAC3D建模技术,通过确定物理力学参数、初始条件、边界条件、材料的本构关系、单元网格类型等,建立隧道的平面几何模型,并对同步开挖和异步开挖两种隧道施工过程和全断面法和台阶法两种施工方法进行了数值模拟,得出了不同工况下的应力、应变、位移场的分布规律；(2)分析围岩体与支护结构的稳定性问题,并根据围岩与支护结构共同作用的机理,阐述了隧道结构整体稳定性的相关问题,引出隧道结构可靠度的问题;(3)以工程实例为依托,根据隧道结构的极限状态方程,采用Monte Carlo法编程计算隧道结构的可靠度；应用神经网络的特性,通过编程,计算隧道结构可靠度。两相对比,证明基于神经网络的结构可靠度计算方法确实可行。
陈玉江[9]2008年在《碎裂岩体中地下结构工程失稳及控制研究》文中提出随着我国地下空间开发和利用的快速发展,各种地下工程项目日益增多。在地下工程开挖过程中,围岩发生变形,产生一系列裂隙或者裂缝,并在一定条件下,导致地下工程失稳破坏。因此,对地下结构围岩进行稳定性分析具有十分重要的工程实际意义。由于地质条件以及地下工程本身的复杂性,利用理论解析的方法进行工程稳定的分析和计算已经受到了限制。近年来,数值分析方法的不断发展以及计算机技术的突飞猛进,数值方法已成为地下工程围岩稳定性分析的有力工具。本文以某矿区地下工程为研究对象,针对碎裂岩体条件下的地下结构工程围岩稳定性问题展开了一系列的研究。首先,分析了碎裂环境下地下结构工程围岩稳定的实质及特点,并对围岩的破坏机理和稳定性判据进行了全面阐述;然后,以矿区工程地质条件为基础,采用3DEC软件建立了碎裂状岩体条件下地下工程结构的离散元数值模型,分析了围岩的应力状态、塑性区分布以及变形特征;最后,提出碎裂岩体条件下的地下结构工程锚杆支护方案,建立了四种锚杆支护数值计算模型,对比分析,选择了最合理的围岩支护方案,确保了地下结构的稳定。论文通过对围岩失稳及其控制技术研究,运用多种手段、方法相结合,理论研究和数值模拟技术的综合分析,选择了合理的支护方案,改善了围岩应力分布状态,增强了地下结构的稳定性,达到了围岩支护的目的。本文所得的结论为碎裂岩体中地下工程开挖提供了理论基础,为地下工程掘进及初期支护施工提供理论了参考依据,对预防事故的发生起到了关键作用,具有重要的理论与现实意义。
曹瑞君[10]2013年在《大断面软弱围岩隧道稳定性研究》文中研究表明随着高速铁路的快速发展及客运专线建设的需要，我国出现了一批大断面隧道，其开挖的断面面积通常在100m2以上，在软弱及破碎的围岩地质条件下，大断面隧道的施工难度较大。本文以位于山西境内的太岳山双线铁路隧道工程为背景，阐述了影响隧道围岩稳定性的主要因素和围岩稳定性理论。对隧道的开挖方法、支护形式以及围岩和支护参数进行分析，依据实际工程的围岩性质选择相似材料进行室内相似材料模拟试验，通过弹性阶段试件的试验分析和相似比推算得到泥质砂岩弹性模量E和泊松比，并根据公式K=E/3(1-2μ)和G=E/2(1+μ)计算得到原岩体积模量和剪切模量，为第四章对原岩开挖数值模拟提供计算力学参数。本文对隧道中隔壁法和叁台阶法隧道的施工进行开挖数值模拟，对隧址区围岩和支护结构稳定性进行数值分析。结合国内外对隧道的研究特点以及国内隧道施工方法的现状，运用FLAC软件对太岳山隧道既有断面条件和地质条件下的中隔壁法施工和叁台阶法施工进行数值模拟分析。对隧道开挖过程中的重点部位进行监测，结果表明对于中隔壁法施工，右上导坑开挖完成后隧道的变形最大，该阶段拱顶和拱底的位移量分别达到总位移量的97.6%和93.4%，隧道两侧墙处的压应力最大，隧道的拱脚处容易发生应力集中，叁台阶七步法竖向最大位移集中在隧道拱顶及拱底，最大水平位移集中在两侧拱墙处，开挖过程中产生较大的竖向位移和水平收敛。对比两种不同施工方法下的水平收敛、竖直位移及围岩应力的情况，从结构的变形大小和受力角度方面考虑该隧道施工选择中隔壁法更利于隧道围岩开挖的稳定性。
参考文献：
[1]. 隧道结构失稳及可靠度研究[D]. 吴翔天. 西安科技大学. 2005
[2]. 隧道结构失稳及判据研究[D]. 陈先国. 西南交通大学. 2002
[3]. 地下结构失稳及可靠度研究[D]. 王齐林. 武汉理工大学. 2007
[4]. 隧道结构叁维数值分析和可靠度计算[D]. 姜鹏. 成都理工大学. 2007
[5]. 基于塑性力学新方法的围岩稳定分析与优化研究[D]. 姚延化. 中南大学. 2013
[6]. 大断面黄土隧道稳定性参数指标研究[D]. 张伟. 铁道部科学研究院. 2007
[7]. 大华山隧道围岩稳定性及结构可靠度研究[D]. 罗跃锋. 武汉理工大学. 2014
[8]. 某公路隧道施工过程数值模拟及结构可靠度分析[D]. 陈志强. 中南大学. 2010
[9]. 碎裂岩体中地下结构工程失稳及控制研究[D]. 陈玉江. 中南大学. 2008
[10]. 大断面软弱围岩隧道稳定性研究[D]. 曹瑞君. 河北工程大学. 2013