单拱四车道公路隧道施工方法及动力响应三维数值分析研究

摘要

随着大跨隧道及地下工程的迅速发展，研究其合理的开挖方法及其在地震动力荷载作用下的反应问题，具有重大的社会经济效应。因此，本文以龙头山隧道为工程背景，对单拱四车道公路隧道的施工方法进行了分析，并对地震荷载作用下的衬砌结构动力响应进行系统深入的研究。具体的研究工作如下： (1)详细介绍了粘性边界和粘弹性边界，给出了粘弹性边界在有限元软件中的简便实现途径。 (2)对不同围岩条件隧道的施工方法进行数值计算，分析不同开挖方法下的隧道力学行为和围岩的稳定性，得出Ⅴ级围岩隧道采用双侧壁导坑法和CD法占优，Ⅲ级围岩隧道采用台阶法较为合理的结论。并通过实测结果验证数值计算的可信性。 (3)基于粘弹性边界和土.地下结构相互作用有限元分析方法建立动力分析模型，得出不同围岩条件、不同边界条件、不同地震波和不同激励方向的位移、应力、支护内力响应时程曲线，分析地震对隧道围岩和衬砌结构的影响及其破坏形式，得出：当地震激励方向在水平面内时，拱顶是最不利位置；当激励方向在竖向时，边墙是最不利位置；粘弹性动力人工边界的弹簧刚度对计算结果精度的影响很大；随着围岩等级的降低，隧道衬砌结构的应力和位移响应有增大的趋势。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2大断面隧道研究现状

1.3地下工程抗震研究现状及分析方法

1.3.1国内外研究现状

1.3.2地下结构抗震分析方法

1.4大跨度隧道施工方法及抗震分析存在的问题

1.5论文的主要工作

第二章有限元模型的建立及求解

2.1有限元简介

2.1.1 FLAC3D简介

2.1.2 ANSYS简介

2.2岩土本构模型

2.2.1本构模型

2.2.2屈服准则

2.3动力边界

2.3.1粘性边界

2.3.2粘弹性边界

2.3.3本文的动力边界条件

2.4地震波荷载

2.4.1地震波输入

2.4.2地震波的选取

2.5动力有限元方程的建立

2.5.1运动方程

2.5.2动力平衡方程的求解

2.5.3阻尼系数

第三章单拱四车道公路隧道静力分析

3.1工程背景

3.2 V级围岩隧道静力分析

3.2.1开挖方法

3.2.2位移场分析

3.2.3应力场分析

3.2.4塑性区分析

3.2.5支护结构分析

3.3 Ⅲ级围岩隧道静力分析

3.3.1开挖方法

3.3.2位移场分析

3.3.3应力场分析

3.3.4塑性区分析

3.3.5支护结构分析

3.4现场量测与数值模拟的比较

3.5本章小结

第四章单拱四车道公路隧道动力响应分析

4.1概况

4.2 EI波作用时动力响应分析

4.2.1位移响应分析

4.2.2应力响应分析

4.2.3弯矩响应分析

4.2.4轴力响应分析

4.3 Kobe波作用时动力响应分析

4.3.1不同边界参数的响应分析

4.3.2不同围岩等级的响应分析

4.4本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2论文创新点

5.3展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果