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基于颗粒离散元法的卵石层中成都地铁施工力学研究

作　者: 魏龙海
导　师: 王明年
学　校: 西南交通大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 卵石地层基坑土压力开挖面稳定性极限支护压力施工工法颗粒离散元
分类号: U231.3
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来,随着我国社会经济的发展,城市人口快速增加,越来越多的城市开始规划和修建地铁。由于我国幅员辽阔,不同地区地质情况差异很大,一些新建地铁在施工期间遇到了非常复杂的地质条件,如成都地铁1、2号线沿线广泛分布的卵石地层等。卵石地层一般由粘性土或砂卵石、粗砂、卵石等组成,偶遇巨石块,大多数砂卵石地层结构松散,分布不匀,具有强烈的离散特性,与砂土、黏土等的工程性质有着本质区别。目前,在该地层中应用明挖、盾构及浅埋暗挖等施工方法修建的地下工程案例很少,几乎没有现成的经验可供借鉴。随着成都地铁工程的全面展开,如何安全经济的在卵石地层中进行地铁建设是一个亟待解决的问题。据此,本文针对成都地铁1、2号线建设期间遇到的几个重点问题：卵石地层深基坑土压力大小及分布规律、盾构隧道开挖面稳定性、暗挖法施工时的合理预支护措施及工法等进行了系统的研究,其工作具体体现在以下几个方面：1.建立三轴数值试验模型,对模型中颗粒单元的性质进行多组试样的参数比较研究,分析细观参数对材料宏观物理力学特性的影响规律,并据此对成都地铁1、2号线沿线密实、中密及稍密卵石土体的宏观参数和模型细观参数的关系进行标定；然后通过理论分析和数值计算相结合,验证应用颗粒离散元模拟基坑围护桩等支护结构的可行性,并标定支护结构的宏观物理力学参数与其数值模型细观参数之间的关系。2.针对卵石土体本身结构具有强烈的离散特性的特点,利用颗粒离散元数值方法,对墙体平动、绕墙顶转动及绕墙底转动三种变位模式下卵石地层基坑土压力的大小及分布规律进行了研究,通过将数值模拟结果与经典土压力的计算结果进行比较,确定了平动模式下卵石土基坑土压力的修正计算方法；依托成都市历史上埋置最深(28.5m)、规模最大(占地面积约48000m2)的天府广场深基坑工程,探明了卵石地层基坑破坏、坍塌的演化过程。利用本文的卵石地层基坑土压力修正计算方法,分析了不同支护条件下基坑施工安全性,确定了天府广场深基坑合理的开挖及支护方案。3.根据成都地铁1号线区间盾构隧道的施工情况,对支护压力较小时,卵石地层盾构开挖面坍塌破坏过程及坍塌破坏时前方土体应力分布演变情况进行了模拟分析,明确了盾构施工开挖面变形与破坏的机理,提出了卵石地层盾构隧道开挖面破坏坍塌模式。探讨了卵石地层中盾构开挖面支护压力大小对隧道围岩变形及压力影响规律,并将此影响分为三个阶段,即影响不敏感阶段、影响敏感阶段、破坏失效阶段；据此,对目前盾构隧道开挖面极限支护压力的计算模型进行了发展,建立了适用于卵石地层盾构隧道开挖面极限支护压力的三维计算模型。在此过程中,还通过挡板下移数值模拟试验,探讨了松动土压力大小与挡板位移量的关系,针对太沙基松动土压力计算值与数值模拟结果差值偏大的情况,修正了上覆土压力的计算公式。最后利用本文的三维计算模型,对成都地铁1号线ZDK13+630处采取带压进舱换刀的舱内极限压力进行了分析。4.结合成都地铁1号线天府广场北端暗挖隧道试验段,利用颗粒离散元数值方法,对卵石地层浅埋暗挖隧道破坏、坍塌的机理进行了分析。探明了管棚、小导管及正面锚杆(管)等预支护措施在卵石地层中的作用效果,给出了合理的预支护方法及其参数；分析了CD法和台阶法对隧道施工安全性的影响,得出了卵石地层浅埋暗挖隧道的合理开挖工法。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第1章绪论  14-33
  1.1 选题工程背景及意义  14-16
  1.2 国内外研究现状及存在的问题  16-28
    1.2.1 卵石地层深基坑土压力及施工安全研究现状  16-21
    1.2.2 卵石地层盾构隧道开挖面稳定性及极限支护压力研究现状  21-25
    1.2.3 卵石地层浅埋暗挖隧道预支护措施及施工工法研究现状  25-26
    1.2.4 颗粒离散元研究现状  26-28
  1.3 论文研究主要内容  28-29
  1.4 研究方法和技术路线  29-33
    1.4.1 研究方法  29-30
    1.4.2 技术路线  30-33
第2章卵石地层地铁施工模拟技术  33-50
  2.1 卵石地层地铁施工模拟方法  33-34
  2.2 颗粒离散元法的基本理论  34-42
    2.2.1 颗粒离散元基本原理  34-38
    2.2.2 计算方法-动态松弛法  38-39
    2.2.3 阻尼系数和时步  39-42
  2.3 颗粒离散元接触本构关系  42-46
  2.4 颗粒离散元程序实现  46-48
  2.5 卵石地层地铁施工数值模拟方案  48-49
  2.6 小结  49-50
第3章卵石地层颗粒结构细观计算参数的标定  50-67
  3.1 参数标定原则  50
  3.2 模型细观参数与材料宏观参数关系的标定方法  50-64
    3.2.1 土体材料宏细观参数关系的标定方法  50-59
    3.2.2 结构材料宏细观参数关系的标定方法  59-64
  3.3 成都地铁卵石地层及相关结构的参数标定  64-66
  3.4 小结  66-67
第4章卵石地层深基坑土压力及施工安全分析  67-92
  4.1 卵石地层土压力大小及分布规律研究  67-82
    4.1.1 三种墙体变位模式下的卵石土基坑土压力大小及分布规律  67-76
    4.1.2 墙体平动模式下不同深度深基坑土压力研究  76-81
    4.1.3 卵石地层深基坑土压力计算方法  81-82
  4.2 天府广场深基坑施工安全性分析  82-90
    4.2.1 天府广场深基坑工程概况  82-83
    4.2.2 不同支护条件下基坑施工安全性分析  83-89
    4.2.3 卵石地层土压力计算方法在天府广场深基坑工程中的应用  89-90
  4.3 小结  90-92
第5章卵石地层盾构开挖面稳定性及支护压力研究  92-134
  5.1 卵石地层盾构开挖面变形与破坏模式研究  92-100
  5.2 卵石地层盾构开挖面极限支护压力数值模拟  100-108
    5.2.1 数值模型及参数  100-101
    5.2.2 开挖面支护压力对前方土体稳定性的影响  101-104
    5.2.3 埋深及洞径对开挖面极限支护压力的影响  104-108
  5.3 卵石地层盾构开挖面极限支护压力计算模型  108-125
    5.3.1 计算模型对开挖面破坏形式的考虑  108-109
    5.3.2 计算模型对上覆松动土压力的考虑  109-119
    5.3.3 计算模型的建立及求解  119-123
    5.3.4 计算模型中各参数敏感性分析  123-124
    5.3.5 计算模型的验证分析  124-125
  5.4 成都地铁1号线某盾构开挖面稳定性案例分析  125-132
  5.5 小结  132-134
第6章卵石地层暗挖隧道预支护措施及工法研究  134-159
  6.1 成都地铁1号线天府广场北端暗挖试验段概况  134-136
  6.2 卵石地层浅埋暗挖隧道开挖破坏模式及预支护措施研究  136-146
    6.2.1 卵石地层浅埋暗挖隧道坍塌破坏机理  136-138
    6.2.2 卵石地层预支护措施及其参数研究  138-146
  6.3 卵石地层浅埋暗挖隧道施工工法研究  146-158
    6.3.1 数值分析  147-151
    6.3.2 现场监测数据分析  151-157
    6.3.3 数值计算与监测结果比较分析  157-158
  6.4 小结  158-159
结论  159-163
  (一) 本文的主要结论  159-162
  (二) 需要进一步研究的内容  162-163
致谢  163-164
参考文献  164-177
攻读博士学位期间发表的论文  177-178
攻读博士学位期间参加科研情况  178
攻读博士学位期间获奖情况  178-179

基于颗粒离散元法的卵石层中成都地铁施工力学研究

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