不良地质洞段隧洞衬砌结构有限元分析

摘要

在水工隧洞的工程设计中，人们经常会遇到不良地质洞段隧洞衬砌结构的设计问题，特别在近些年来我国水利水电工程的迅速发展，水工隧洞的规模越来越大，单洞的长度越来越长，对于不良地质洞段衬砌结构的设计理论和施工工艺更有了严格的要求。不良地质洞段水工隧洞以前的计算方法是假定隧洞围岩及衬砌结构的材料为连续的弹性介质，在这种方法中忽略了不良地质洞段围岩及衬砌结构材料的非线性的作用，并且在计算分析时将不良地质的围岩与水工隧洞衬砌结构分开考虑，这种计算方法会使水工隧洞衬砌结构的厚度或配筋量偏大或者偏小，对于Ⅳ或Ⅴ类围岩不良地质洞段衬砌方式的选择不够合理，因此，对不良地质洞段的水工隧洞的围岩、衬砌结构进行非线性的状态下进行分析计算具有一定的实际意义，对有限元法和边值法的计算进行分析，从而为在工程实际中不良地质洞段水工隧洞选合理的组合式衬砌方式提供一定的参考价值。
　　 通过对某不良地质洞段水工隧洞工程资料的总结计算，确定不良地质洞段隧洞的计算范围及参数。采用ANSYS通用有限元软件建立几何模型，对隧洞的施工过程和运行过程两种状态进行模拟计算，围岩与外层衬砌之间设置二维的面，面接触对TARGE169和CONTA171单元，锚杆与围岩和混凝土之间设置点，面接触对TARGE169和CONTA175单元。然后对不良地质洞段水工隧洞分有、无内水压力两种运行工况下的两种组合式衬砌方式（锚杆加喷混凝土和挂网锚杆加混凝衬砌）进行应力和位移变形的计算，对两种不同的组合式衬砌方式的计算结果进行比较分析。在无内水压力的运行工况下锚杆的长度取1.6～2.8m五种不同的长度计算比较，得出相关结论。
　　 其次，对不良地质洞段隧洞围岩进行固结灌浆处理，对隧洞的施工过程和运行过程两种状态进行模拟计算，与挂网锚杆处理围岩计算的应力和变形进行比较。然后采用边值法进行计算与有限元结果进行比较分析。结果发现：有限元方法对衬砌结构各个部位的应力和位移变形进行了分析，能够较为准确的对不良地质洞段隧洞不同组合式衬砌结构方式进行分析和研究。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 课题的研究意义及问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧洞衬砌支护理论的发展和研究现状

1．2．2 隧洞衬砌钢筋混凝土有限元分析的发展与研究现状

1．3 水工隧洞衬砌结构计算方法

1．3．1 弹性力学解析法

1．3．2 结构力学法

1．3．3 有限单元法

1．4 本文的主要内容及目的

1．4．1 主要内容

1．4．2 主要目的

2 隧洞衬砌有限元分析的基本原理

2．1 有限元法概述

2．1．1 有限元法的基本思想

2．2 有限元非线性问题的分类

2．2．1 材料非线性

2．2．2 几何非线性

2．2．3 接触非线性

2．3 钢筋混凝土结构的有限元模型

2．3．1 分离式模型

2．3．2 组合式模型

2．3．3 整体式模型

2．4 ANSYS软件及本次选择的计算单元

2．4．1 ANSYS简介

2．5 本次选择的计算单元

2．5．1 LINK1单元

2．5．2 TARGET 169单元

2．5．3 CONTACT 171单元

2．5．4 CONTACT 175单元

2．5．5 PLANE 42单元

3 工程实例及衬砌结构有限元法分析

3．1 工程概况

3．2 围岩有关参数的取值

3．2．1 材料参数

3．2．2 其他参数

3．3 计算方案及荷载组合

3．3．1 计算方案

3．3．2 工况及荷载组合

3．4 加锚杆后衬砌的有限元计算及分析

3．4．1 计算模型

3．4．2 计算思路

3．4．3 初始应力场计算及分析

3．4．4 施工过程有限元计算与分析

3．4．5 运行期衬砌结构的有限元计算与分析

3．5 固结灌浆衬砌的有限元计算及分析

3．5．1 材料参数

3．5．2 工况及荷载组合

3．5．3 计算基本假定

3．5．4 施工过程有限元计算与分析

3．5．5 运行期衬砌结构的有限元计算与分析

4．衬砌结构边值法的计算分析

4．1 计算软件

4．2 计算模型

4．3 计算结果及分析

4．4 有限元法和边值法计算的比较分析

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

附录