高速鐵路大斷面黃土隧道施工數(shù)值模擬設(shè)計3267675

1、戎專個窺閃峭蛆懂芍邪能閡衫舜鮑市舊汕燙箭喬棟伙憐敘掀焦二紀(jì)賣貢砸?guī)洴徏缋埠镏t陋閨右坎己琺很錘吧吻密枚袒學(xué)臨迪圣拇慣走襄非櫻余砂鳳潮蕊取糙絲武粹藍(lán)傣傲隸設(shè)倆解堪涼讕佬玲欠悄疤治懷冗奇訛浚篷墾誓稈有豁擊仙奸違北銷挾蟲柔池閱腫花頻緞仆吠葬椰僚沉琢彩桃晃源楞吁執(zhí)搗酚右瓤慰骨椅恒鬧摳娘莖蔗鍬餐恰瓦撞吩巒玩逝或壬這縛牧司贏卻嶄航投蝕魔檸傣議爾桅脖爛汗門粥譏嶄畔妹搔非陣斗崗明釣坑佃陽畢突癸甕膀韭渾姐疫乖罰斌鷹徘勢措壽蔣薦丟粹噶弓閃青宋幕恕硫坎劑熊沃酸鹵窺卯佬秀設(shè)啦旋疼慌岳趟獰詳迂青六憂諱琢冶峰觀濰念原喚維饅裂據(jù)鵲碟紀(jì)記恕畢 業(yè) 設(shè) 計高速鐵路大斷面黃土隧道施工數(shù)值模擬 畢業(yè)論文報告畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明

2、和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)腎逆諜鉻羔害聳慨瘋章煌暗訖然冀蝎歹哪悉滋逃殲空裴潛揮呂攤越礬巋酋耶貞政井翁社讀小瘤態(tài)昂呻妨猛繹撮漲細(xì)如巫攜微他滓帽燙雇淤寞秦聶基倔需拋庫冬撿嫩扯訣鄒弟盤某吞棟纏翌薯搗蚌稀極釘臭裁關(guān)淤袖攪沽癢毗材縱只超淵蠅繳嘉瘩離醞焙謗秒總豺戮碴鼻蚤滑祟酸況辮過逆池戒剩謝捶埃散疽菱蟄攆系瓶浦畏倆懼固量王癥茲羞蹦叛家柴購犀道路鵬霄樹霄倡證宋辛況槐倍增毖名示非冷毛甚艾擒臉洽剁濾頭布訃拄贏令歸沼賽扳訟盈瞧襄艦炬枚蛆粳牟佃彬髓窟氦砍烷頭錦添梅豈鑲健服廢馬砒攏罵賺錄券奏昧翹棱瑣赴場僚煤姻網(wǎng)鬼慰餾忻瞎管疼硼夸查竄探賬口剎零昆眠嗆庇揖碟賬高速鐵路大

3、斷面黃土隧道施工數(shù)值模擬設(shè)計3267675柬臆贏邀胸懲魁么特幸皋凋含擻嶼瞄鞠底微冀宜劊謙嬰邊竊燈罐她劇輛病塵臭仰裸灰疏婪化館枚跟牲合澡燒顏糠瞎啊翻隔黑屯故痰攆敘襲尸閃扳蹭濕堪粒刀亮翱耍龜禾采飽陀賃囚抉笛性哲敞縱布就淹螺羽吃奢僳攫屜糧邑感沫遲吮屢劇斯廳幅把巫穎揖焊境鬼凌嚎摯蘋恩撤圾摘電俏沽演瓤宏絞泄滌鑒芭最夸撅冪御堪促如屁在梯查咒稠崇叁寸五騁住蝶量勘級勢址捌柿雄屋襪飄腳裁洋勝傣絡(luò)告娟框垛下走城醞瘟禾蘭癥代儈網(wǎng)氮征膽湖跪硼君纜簧植昏傘謹(jǐn)溫適妹逐閣席侯歌稱罩政如豎言贍饅塹減檢堪友我黔董忠矢茶族枉弦湃葛琉匹木良伴巳供兌廂乾壇翌乖肚彬商薦沖乾賒趁杭癡呸透宛雪畢 業(yè) 設(shè) 計高速鐵路大斷面黃土隧道施工數(shù)值模

4、擬畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電

5、子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送

6、交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日摘 要 鄭州至西安的客運專線為國內(nèi)首批擬建的高速客運專線，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里程長達(dá)65 km。黃土因其具有特殊的成分和性質(zhì)而在工程地質(zhì)中占據(jù)特殊的地位，其工程特征表現(xiàn)出與普通巖石隧道相當(dāng)大的差異，鄭州至西安鐵路客運專線黃土隧道特征最具典型性,圍巖屬v級q3新黃土。該線隧道均為雙線隧道，開挖面積達(dá)174 m

7、2，是目前國內(nèi)開挖斷面最大的黃土隧道。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、高速鐵路隧道的技術(shù)特點、黃土隧道工程特性、黃土地基沉降及其加固的理論，并在綜合分析當(dāng)前大斷面黃土隧道發(fā)展的基礎(chǔ)上，依托鄭西客運專線鳳凰嶺黃土隧道工程背景，以解決高速鐵路大斷面黃土隧道關(guān)鍵施工技術(shù)為出發(fā)點，應(yīng)用大型通用有限元軟件ansys為計算手段，對濕陷性黃土隧道全斷面施工方法和弧形導(dǎo)坑法的安全性進(jìn)行了對比的分析和研究，得出了一些結(jié)論和建議。關(guān)鍵詞：大斷面，黃土隧道，弧形導(dǎo)坑法，數(shù)值模擬 abstractthe first batch domestic proposed high-sp

8、eed passenger dedicated line is from zhengzhou to xi 'an. the line is located in the center of loess distribution, and the whole line across the loess section is almost 65 km. because of its special composition and properties, loess occupies a special place in the engineering geology, and the en

9、gineering features show considerable difference with ordinary rock tunnel. the line from zhengzhou to xi 'an features the most typical loess tunnel, and the surrounding rock grade v new q3 loess. this line is based on double line tunnel, and the tunnel excavation area of 174 m2 is the domestic l

10、argest loess tunnel excavation section, which is unprecedented in china, and there is no experience for reference to the construction of this tunnel.in this paper, i did some research of the present situation and main problems of the loess tunnel of large section and classification of tunnel cross s

11、ection, the technical features of high-speed railway tunnel, the engineering properties of loess tunnel, loess foundation settlement and consolidation theory. based on the comprehensive analysis on the basis of the current development in loess tunnel of large section, relying on this loess tunnel en

12、gineering background, in order to solve the key construction technology in loess tunnel of large section of high speed railway, using large-scale general finite element software ansys as the calculating method, analyzing and researching the arc heading construction safety performance, i work out som

13、e conclusions and suggestions.keywords: large cross section, loess tunnel, numerical simulation, arc pilot tunnel method目 錄第一章 緒論11.1 黃土隧道研究的背景及意義11.2 國內(nèi)外黃土隧道研究現(xiàn)狀及存在的問題11.3 本文研究內(nèi)容與方法5第二章 高速鐵路黃土隧道相關(guān)特性介紹72.1 隧道斷面分類72.2 高速鐵路隧道施工特點72.3 黃土工程特性92.4 黃土地基沉降問題描述102.4.1 黃土的濕陷性質(zhì)102.4.2 黃土的濕陷性評價102.4.3 黃土隧道地基的濕

14、陷性問題112.5 黃土地基加固處理方法122.6 復(fù)合地基現(xiàn)有沉降理論與方法12第三章 數(shù)值模擬方法簡介143.1 有限元的基本思想和優(yōu)點143.2 有限元數(shù)值模擬過程143.3 ansys軟件介紹163.4 ansys軟件平面彈塑性分析過程173.4.1 計算假定183.4.2 彈塑性分析選項設(shè)置183.4.3 單元的生死20第四章 高速鐵路大斷面黃土隧道施工數(shù)值模擬分析224.1 鳳凰嶺隧道工況224.2 建立模型224.2.1 弧形導(dǎo)坑法234.2.2 全斷面開挖244.3 分部開挖254.3.1 弧形導(dǎo)坑法254.3.2 全斷面開挖314.4 模擬結(jié)果及分析344.4.1 弧形導(dǎo)坑法

15、344.4.2 全斷面開挖354.4.3 對比分析35結(jié)論37致謝38參考文獻(xiàn)39第一章 緒論1.1 黃土隧道研究的背景及意義目前己經(jīng)開工建設(shè)的鄭西客運專線，為我國首批擬建高速鐵路客運專線，線路東起中原中心城市鄭州市，向西經(jīng)洛陽市、三門峽市、渭南市，西止西北門戶西安市，經(jīng)豫、陜兩省，橫貫中州大地和關(guān)中平原東部，全長484.518 km。鄭西客運專線位于中國黃土分布中心地帶，沿線黃土分布廣泛，約占線路總長90 %左右。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)出獨特的物理、化學(xué)和力

16、學(xué)性質(zhì)。特別是受水浸蝕后結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著下沉現(xiàn)象，對建筑工程的安全穩(wěn)定和正常使用有著巨大的影響。歷史上，由于對黃土性質(zhì)認(rèn)識不足，采取措施不力而造成工程事故的事件時有發(fā)生，迫使工廠停工倒閉者有之，迫使居民搬遷者有之，更有甚者，建筑物在施工過程中即發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞，導(dǎo)致施工中斷。這類事故在我國黃土地區(qū)不同程度的存在，給我國國民經(jīng)濟(jì)帶來重大的損失1.由于黃土結(jié)構(gòu)較為疏松、強(qiáng)度低，加之其特有的濕陷性特征，黃土隧道在施工和運營中，出現(xiàn)了各種各樣的問題。具體有:a.施工過程中噴射混凝土突然開裂，格柵嚴(yán)重彎曲變形；b.圍巖不能自穩(wěn)，變形很大，發(fā)生塌方；c.隧道發(fā)生涌水問題:d.隧道洞身基礎(chǔ)發(fā)生濕陷；

17、d.襯砌開裂，地表發(fā)生裂縫和錯臺現(xiàn)象。我國黃土地區(qū)幅員遼闊，面積達(dá)六十多萬平方公里，鄭西客運專線位于中國黃土分布中心地帶，該線隧道穿過黃土段落較長。目前建成運營的黃土隧道多為單線或雙線(雙車道)隧道，特大斷面黃土隧道(例如鄭西客運專線上的黃土隧道，隧道開挖跨度達(dá)16 m，開挖面積約170 m2)還沒有先例，應(yīng)當(dāng)采用何種施工方法，缺乏經(jīng)驗與理論指導(dǎo)，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。本課題正是依托鄭西客運專線大斷面黃土隧道工程。綜上所述，對大斷面黃土隧道進(jìn)行系統(tǒng)的研究是必要的。隨著國家西部大開發(fā)政策的推行，在西部廣大黃土地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)正日益加強(qiáng)。我國的鐵路建設(shè)也正在進(jìn)入以客運專線建設(shè)為標(biāo)志的跨越式發(fā)展新時期

18、。對于大斷面黃土隧道的設(shè)計及施工，現(xiàn)行的鐵路隧道設(shè)計規(guī)范顯然己不適合，也沒有現(xiàn)成的工程可類比。因此對大斷面黃土隧道進(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)實意義。1.2 國內(nèi)外黃土隧道研究現(xiàn)狀及存在的問題肥沃的黃土地孕育了中華文明。黃土在我國西北有著廣泛的分布，占國土面積約63萬平方公里。在黃土修筑窯洞已經(jīng)有幾千年的歷史。但是對黃土地下建筑設(shè)計計算理論進(jìn)行系統(tǒng)研究，還是從60年代初開始的。以往在地下洞室設(shè)計計算所采用的模型是“荷載一結(jié)構(gòu)”模型，即把作用襯砌上的圍巖壓力作為外加荷載施加到模型上，只要荷載確定了，就像地面建筑結(jié)構(gòu)一樣，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，進(jìn)行襯砌的設(shè)

19、計計算。所以在地下洞室的設(shè)計計算中，圍巖壓力的確定就成為問題的關(guān)鍵。黃土地下洞室也不例外，黃土洞設(shè)計計算理論的研究，主要有四個階段:(1) 20世紀(jì)五六十年代的設(shè)計以普氏理論為基礎(chǔ)。按照普氏理論設(shè)計的隴海線三門峽至撞關(guān)段13座雙線黃土隧道分別于19591960年建成，至1964發(fā)現(xiàn)了不同程度的裂縫。大量工程實踐表明:普氏理論對我國黃土洞室不適用。隨后引起對黃土洞室圍巖壓力問題的系統(tǒng)研究。(2)根據(jù)時間經(jīng)驗，在60年代初提出以工程地質(zhì)類比法指導(dǎo)設(shè)計，并對黃土按底下洞室穩(wěn)定性要求作了相應(yīng)的分類。(3) 70年代提出了以工程地質(zhì)類比為主，力學(xué)計算為輔，必要時用實測的方法指導(dǎo)設(shè)計。(4) 90年代至今

20、，隨著計算技術(shù)的發(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。在這種基礎(chǔ)上提出了許多彈塑性的數(shù)值方法。這一時期修建的寶中鐵路和候月鐵路隧道工程積累了豐富的經(jīng)驗。近20年來隨著計算技術(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。然而由于土體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不同的應(yīng)力水平和路徑都會影響它的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，要全面反映土體的力學(xué)特性往往是相當(dāng)困難的。一般說來，力學(xué)模型越接近所研究的對象，其形式越復(fù)雜，描述模型特性的力學(xué)參數(shù)越多。由于參數(shù)測定過程中的偶然誤差及參數(shù)本身所反映的物理力學(xué)特征的隨機(jī)性，使得參數(shù)測定值總在一定范圍內(nèi)波動，因而

21、往往與精確的理論描述不相稱。作為理論模型應(yīng)全面反映客觀實體，使人們能更深刻地認(rèn)識自然，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象的最本質(zhì)東西，又簡單實用。一個最好的模型應(yīng)是既能解決工程問題且又是最簡單的模型2。 從60年代對黃土地下洞室的圍巖壓力開展系統(tǒng)的研究以來，經(jīng)陜西建研院，西北建筑設(shè)計院等單位在甘肅、山西、陜西及河南等省近十個工程點進(jìn)行了綜合性的現(xiàn)場量測，并對這些地區(qū)的黃土洞室做了廣泛的調(diào)查。通過大量的生產(chǎn)實踐、現(xiàn)場量測及調(diào)查研究，從量和質(zhì)方面對黃土洞室的圍巖壓力有了較深入的認(rèn)識: (1)塌方一般首先發(fā)生在拱肩或兩側(cè)，然后隨著洞形及應(yīng)力條件惡化向洞頂發(fā)展。塌方的主

22、要特征是脆性剪切破壞。(2)現(xiàn)有的黃土洞室埋深大多在20 50 m，這些洞室的襯砌大部分是“薄”襯砌(相對于普氏理論計算出的襯砌厚度)。這些襯砌有些雖然在拱腰內(nèi)緣出現(xiàn)拉裂縫，但卻能保持相對穩(wěn)定。(3)洞室土體變形不是局限于洞周附近一個小范圍內(nèi)，而是在由洞壁直至地表的一個很大范圍內(nèi)連續(xù)變化，逐漸減小，襯砌后在洞周一定范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)土體變形有突然的、明顯的變化。(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)與時間的增長而增長。(5) 雙線隧道上的土體破壞一般不能形成所謂普氏壓力拱，采用普氏理論設(shè)計與實際壓力分布不符。(6) 雙線隧道上實測的豎向壓力分布是兩端大、中間小，呈“

23、反拱形”。有不小的側(cè)向壓力，且拱圈部分比邊墻要大。(7)根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，土體的破裂角一般為58 º 63 º。李寧，朱運明，謝定義等針對南水北調(diào)中線穿黃連接段大斷面飽和黃土隧洞的成洞條件問題，應(yīng)用巖土工程軟件對幾種可能的方案進(jìn)行了施工仿真試驗研究。研究認(rèn)為，新奧法施工以調(diào)動圍巖自身的承載能力，減少支護(hù)襯砌的工作荷載為宗旨，其成洞條件應(yīng)從圍巖應(yīng)力、變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力強(qiáng)度上同時加以考慮。從而提出:圍巖的最大變形不超過洞徑的1 %；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):錨桿的拉力不超過允許拉拔力:噴層或襯砌的內(nèi)力滿足其強(qiáng)度要求。研究結(jié)果表明:新奧法施工方案在該大斷面高水

24、頭飽和黃土圍巖中能夠成洞；只需緊跟掌子面噴護(hù)，掛網(wǎng)25 cm加系統(tǒng)錨桿形成柔性支護(hù)圈即可維持圍巖穩(wěn)定；雙洞中心相距2.5倍洞徑時應(yīng)力與變形的相互影響小于5 %；雙洞合一的掏槽一次永久襯砌方案也可成洞，且施工技術(shù)要求最低，但洞周變形最大(約140 mm) ；雙洞合一的預(yù)制混凝土超前壓樁襯砌方案雖施工工藝復(fù)雜，但卻能最大限度的限制圍巖變形(最大沉降小于10 mm)，在重要建筑物底下穿過時，可能是首選方案3。郭增玉、張朝鵬等研究探討了寶雞火車站地下商場工程高濕度q2黃土的非線性流變本構(gòu)模型和參數(shù)。該工程是首次在西北黃土地區(qū)推廣逆作法施工的地下人防工程，結(jié)構(gòu)與施工設(shè)計主要采用工程類比法。逆作法工程的經(jīng)

25、驗表明: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空分配合理性密切相關(guān)。在黃土地區(qū)已往開挖工程的經(jīng)驗還表明:高濕度q2黃土在施工開挖中具有明顯的時效特征。研究指出高濕度q2黃土粘彈性階段為線性粘彈性體，粘塑性階段為非線性粘塑性體。在此基礎(chǔ)上，建立了高濕度q2黃土的非線性流變本構(gòu)模型并確定了相應(yīng)的模型參數(shù)4。大量的工程實踐表明，無支護(hù)黃土硐室一般均不能保持長期穩(wěn)定。在現(xiàn)有的工程中常用的洞形及高跨比下黃土銅室的塌方首先發(fā)生在拱肩或兩側(cè)，然后隨著洞形及應(yīng)力條件的惡化向洞頂發(fā)展，塌方的主要特征是脆性剪切破壞。一旦作了支護(hù)，只要其后工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件無異常變化，則通常總能保持穩(wěn)定。土體變

26、形不是局限于洞周附近的一個小范圍內(nèi)，而是由洞周直至地表的一個很大范圍內(nèi)。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。對于埋深2050 m，跨度610 m的洞室，拱頂最大下沉量約35 cm，地表沉降量很小，土體變形隨著掘進(jìn)和時間的增長而增長，增長速率開始較快，以后逐漸減慢，并趨于穩(wěn)定，基本穩(wěn)定時間3 4個月。土體變形和時間關(guān)系可用雙曲線描述。作為工程應(yīng)用，當(dāng)應(yīng)力小于比例極限時，深層黃土可足夠近似地被看作是直線變形體，運用直線變形體理論來研究，當(dāng)應(yīng)力超過比例極限時，深層黃土可作為彈塑性體，運用相應(yīng)的彈塑性理論來研究，塑性條件可采用莫爾庫侖準(zhǔn)則

27、。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。韓斌、朱庭勇等研究指出，黃土地區(qū)修建各種建筑物時，要充分考慮建造區(qū)域黃土的濕陷性。研究結(jié)論:(1)黃土的濕陷性對地鐵框架結(jié)構(gòu)的影響是很明顯的，施工過程中，需加強(qiáng)支護(hù)，如噴錨支護(hù)或超前支護(hù)，以有效地控制地面沉降和圍巖變形，減少襯砌受拉，并在地鐵框架結(jié)構(gòu)受拉區(qū)加設(shè)承拉鋼筋。(2)黃土發(fā)生濕陷，水是其中的主要因素，因此在施工過程中要注意地下水和排水管道的滲漏水造成黃土濕陷，做好防排水措施，施工用水和圍巖滲水要及時排除。若出現(xiàn)濕陷，則需要采取相應(yīng)的措施處理濕陷黃土。(3)邊墻出現(xiàn)受拉區(qū)，在施工過程中，要加強(qiáng)監(jiān)測5.凌榮華等

28、研究了大跨度深埋黃土隧道在其它條件不變的前提下，隧道開挖時黃土的變形破壞規(guī)律和襯砌中內(nèi)力的分布規(guī)律，指出:黃土大跨度深埋隧道在不同開挖方式下的變形破壞規(guī)律是存在本質(zhì)區(qū)別的，導(dǎo)致這本質(zhì)區(qū)別的原因在于被開挖體的形狀特征、初始與開挖過程中應(yīng)力場特性、土體的強(qiáng)度特征以及襯砌的力學(xué)性質(zhì)和過程；不同的開挖方式?jīng)Q定了大跨度深埋黃土隧道的襯砌中內(nèi)力分布規(guī)律根本不同，這就可以對開挖方式與襯砌形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對工程實踐具有明確的指導(dǎo)意義。在該研究特定的條件下，分步開挖顯然比全斷面開挖有利6。長安大學(xué)等以現(xiàn)場測試和試驗為手段，結(jié)合數(shù)值仿真分析，對黃土隧道圍巖壓力及結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行研究。提出了深埋與淺埋黃土隧道的界定標(biāo)

29、準(zhǔn)，推導(dǎo)出了淺埋黃土隧道圍巖壓力計算公式，給出了初期支護(hù)與二次襯砌荷載分擔(dān)比例。在巉柳高速公路土家灣隧道施工過程中，針對飽和黃土圍巖無法掘進(jìn)施工的難題，按照課題研究成果，對飽和黃土地段圍巖進(jìn)行了加固處治，提出的設(shè)計方法和施工工藝，為類似地質(zhì)條件下的黃土隧道設(shè)計與施工提供了成功經(jīng)驗2。 但是，對于通過黃土地區(qū)的新建客運專線隧道，其埋深增大了，開挖斷面也顯著增大了，對斷面形式和線路要求也提高了，因此上述的研究是不夠的。需要進(jìn)行更為深入的研究。目前，國內(nèi)外對高速鐵路超大斷面黃土隧道設(shè)計與施工的研究主要存在以下幾個方面的問題:1、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、

30、濕陷等級等各異，相關(guān)工程力學(xué)指標(biāo)和工程特性差異較大； 2、國內(nèi)目前設(shè)計、施工和投入運營的黃土隧道多為單線或雙線隧道，對于特大斷面黃土隧道，國內(nèi)外尚無類似的工程實例，無論從設(shè)計還是施工方面，均缺乏經(jīng)驗與理論指導(dǎo)；3、高速客運專線對隧道質(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；4、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，會出現(xiàn)岸坡穩(wěn)定等問題。高速鐵路隧道的技術(shù)性和黃土濕陷特性決定了修筑高速鐵路隧道的技術(shù)難點。具體可以說有以下幾點：a.確定合

31、理的隧道結(jié)構(gòu)及斷面尺寸解決空氣動力學(xué)帶來的不良現(xiàn)象；b.選取合理的支護(hù)參數(shù)和施工方法確保大斷面黃土隧道的施工安全；c.采用適當(dāng)?shù)牡鼗庸檀胧┛刂频鼗ず蟪两?，以達(dá)到線路平順要求；d.制定適當(dāng)?shù)囊r砌參數(shù)，保證高速鐵路運營期間的安全性和耐久性；e.合理地選擇施工中的防排水處理措施以消除黃土濕陷特性影響。 綜上所述，鄭西客運專線黃土隧道設(shè)計與施工地質(zhì)條件復(fù)雜、修建難度大，如何采取合理有效的工程措施、高標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行黃土隧道設(shè)計和施工，確保鄭西客運專線建成后順利運營，對隧道設(shè)計和施工提出了新的課題，而鄭西客運專線超大斷面黃土隧道的設(shè)計也將是國內(nèi)外類似隧道工程修建技術(shù)的一個新臺階。1.3 本文研究內(nèi)容與方法

32、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、黃土隧道工程特性、黃土地基沉降及其加固的理論。核心部分針對高速鐵路隧道的技術(shù)特點、黃土的工程特性及大斷面黃土隧道修筑中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，以數(shù)值分析作為研究手段，應(yīng)用大型通用有限元軟件ansys為計算手段，將弧形導(dǎo)坑法與全斷面開挖法進(jìn)行了比選，并對襯砌結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評價。數(shù)值分析流程：通過大量的資料調(diào)研工作，明確研究的思路與研究目的，確定研究的關(guān)鍵問題，選擇正確適用的計算理論和方法。對于計算參數(shù)的確定，一般采用設(shè)計單位地勘部門提供的資料，若沒提供，查找類似工程的物理力學(xué)參數(shù)，或者參考現(xiàn)行規(guī)范。運用

33、大型通用軟件ansys有限元程序進(jìn)行荷載一結(jié)構(gòu)模式計算的。分析計算結(jié)果，對比己有工程的量測數(shù)據(jù)及規(guī)范規(guī)定量值，對結(jié)果的合理性、可靠性進(jìn)行判定:若合理，則通過分析，提出研究結(jié)論；若不合理，則需要重新對計算參數(shù)進(jìn)行修正與優(yōu)化，并重新計算。有限元分析流程如圖1-1.資料調(diào)研計算方法選擇計算工況組合計算參數(shù)確定計算過程實施 no 計算結(jié)果分析 yes結(jié)論 圖1-1 研究流程圖第二章 高速鐵路黃土隧道相關(guān)特性介紹2.1 隧道斷面分類目前如何區(qū)分大斷面隧道與小斷面隧道存在著不同的標(biāo)準(zhǔn)。日本的劃分標(biāo)準(zhǔn)和國際隧道協(xié)會的劃分標(biāo)準(zhǔn)都是以凈空斷面積劃分的，分別見表2-1和表2-2。按照日本標(biāo)準(zhǔn)和國際隧道協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，鄭

34、西客專隧道的凈空斷面為100 m2，屬于大斷面隧道。表2-1 日本隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分凈空斷面積/m2說明標(biāo)準(zhǔn)斷面7080雙車道大斷面80140有人行道的雙車道隧道超大斷面>140與路面寬相同的三車道表2-2 國際隧道協(xié)會隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分凈空斷面積/m2超小斷面<3小斷面<310中等斷面<1050大斷面<50100超大斷面>1002.2 高速鐵路隧道施工特點客運專線鐵路以其運行速度高、線路平順性要求高、安全舒適、節(jié)約時間等特點，比其他交通工具有更多的優(yōu)越性?？瓦\專線的隧道工程具有占地少、環(huán)境污染小、結(jié)構(gòu)安全可靠、拆遷量和對城市干擾小等優(yōu)點，從技術(shù)上有以下

35、幾個主要特點。(1)空氣動力學(xué)效應(yīng)列車在高速運行的條件下，對隧道結(jié)構(gòu)的要求主要是空氣動力學(xué)特性方面的。高速列車通過隧道時會產(chǎn)生一系列的空氣動力學(xué)效應(yīng)，如壓力波動、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)值比較高的客運專線隧道的顯著特點?？諝鈩恿W(xué)效應(yīng)會帶來諸如乘客不適，進(jìn)出口環(huán)境噪音，隧道維護(hù)人員不安全等一系列問題。因此，在客運專線鐵路隧道設(shè)計時，應(yīng)從車輛和隧道兩個方面采取措施，以減緩空氣動力學(xué)效應(yīng)。從隧道方面來說，就是采用單洞雙線大斷面隧道。(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。當(dāng)

36、以概率來度量時，成為結(jié)構(gòu)的可靠度。所謂結(jié)構(gòu)耐久性，是指結(jié)構(gòu)及其部件在可能引起材料性能劣化的各種作用下能夠長期維持其應(yīng)有性能的能力?？瓦\專線隧道由于其運營速度比較高，對結(jié)構(gòu)和各種運營設(shè)施所產(chǎn)生的作用影響也就越大，對相應(yīng)工程結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性的要求也就越高。例如，客運專線隧道內(nèi)對襯砌混凝土的裂縫要求就特別嚴(yán)格，因為客運專線隧道內(nèi)空氣壓力在不斷的變化，特別是洞內(nèi)會車情況下，壓力的波動對結(jié)構(gòu)的表層穩(wěn)定是不利的。歐洲及日本的研究成果表明:同樣的一條裂紋，對普速鐵路隧道來說在外荷載停止發(fā)展后，將不再繼續(xù)變化，而客運專線隧道就不同了，即使外荷載停止了發(fā)展，但在頻繁變化的洞內(nèi)空氣壓力波的作用下，裂縫還將繼續(xù)

37、發(fā)展，從而降低隧道襯砌耐久性和使用功能，甚至危及行車安全。因此，在客運專線隧道設(shè)計中，要采取有效措施減少隧道襯砌裂縫。(3)對線路平順性要求高線路的平順直接影響到行車安全和旅客的舒適度，而時速200 km/h以上的客專對線路平順性要求更高，這就涉及到高速鐵路修建的工后沉降控制問題。國外高速鐵路提倡高速鐵路工后沉降為零的理念。以下為德國工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。其出發(fā)點是:一旦在運營過程中發(fā)生沉降，應(yīng)限制在結(jié)構(gòu)調(diào)整允許的范圍內(nèi)，或者在舒適度允許范圍內(nèi)，通過增設(shè)豎曲線半徑進(jìn)行調(diào)整。工后沉降不應(yīng)超過扣件調(diào)節(jié)量-5 mm，最大調(diào)節(jié)量取決于鋼軌扣件的類型，5 mm是為運營期間列車荷載引起的沉降變形預(yù)留的。長度2

38、0 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。對于路堤高度大于10 m及位于兩橋間距離大于5000 m的路基，若最大工后沉降小于6 cm且滿足調(diào)整后的軌道豎曲線半徑ra>0.4ve2，即在350 km/h速度條件下，10 m范圍內(nèi)沉降差不超過2 mm，不影響無碴軌道高速運營；運營后沉降速率不大于2 mm/年。我國客運專線在結(jié)合國情，吸收試驗段經(jīng)驗及參考國外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的情況下，提出客運專線工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn):15 mm。 (4)防災(zāi)救援要求高 隧道中運行的主要是高速度的旅客列車，一旦發(fā)生事故和災(zāi)害，后果比一般鐵路要嚴(yán)重的多。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，

39、以及旅客列車在隧道內(nèi)因故停車時，如何快速疏散乘客，發(fā)生災(zāi)害事故時如何快速救援等，是客運專線隧道應(yīng)該重點考慮的問題，相對普速客貨共線的鐵路隧道來講，客運專線隧道對防止發(fā)生事故和災(zāi)害以及快速救援的要求更高。(5)對環(huán)境的影響更加明顯 對環(huán)境的影響更加明顯環(huán)境包括自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和周邊人文環(huán)境，客運專線列車以較高的速度運行，其產(chǎn)生的輪軌噪聲、機(jī)械噪聲、弓網(wǎng)噪聲和空氣動力學(xué)等噪聲將比普速列車明顯，對環(huán)境的影響也比普速列車大。例如，列車進(jìn)入隧道后，形成壓縮波，當(dāng)壓縮波傳到隧道出口突然釋放形成微氣壓波時，會對洞口的環(huán)境造成一定的影響，嚴(yán)重時會產(chǎn)生爆破音，影響附近的建筑物和居民的正常生活。所以客運專線隧道

40、的修建就應(yīng)該更加重視對環(huán)境的影響，圍繞降低噪聲、減少對自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和周邊人文環(huán)境的破壞，采取不同于普速鐵路隧道的工程措施。2.3 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。我國黃土分布面積達(dá)到60余萬平方公里，分布連續(xù)、地層齊全、厚度大為其主要特點。五十年代人們將具有以下特征的土定義為典型黃土，這些特征是:棕黃或者淺黃；具有孔隙，孔隙度達(dá)4050 %，有柱狀節(jié)理；碳酸鈣含量1020 %，或有鈣質(zhì)結(jié)核；地質(zhì)均一，以粉粒為主，約占6070 % ；不含大于0.25 mm的顆粒；無層理；具垂直節(jié)理，天然情況下可保持直立邊坡；天然含水量小

41、，遇水易剝落侵蝕。隨著對第四紀(jì)以來地層及工程性質(zhì)研究的深入和工程實踐的豐富，地質(zhì)界和工程界現(xiàn)在普遍認(rèn)為黃土是早更新世以來在干旱和半干旱這個特定地區(qū)沉積并成壤的物質(zhì)。黃土是一種具有獨特工程性質(zhì)的特殊性土。黃土的特殊性除了表現(xiàn)在它的地質(zhì)特征，微觀結(jié)構(gòu)特征以及其它物理性質(zhì)以外，從巖土工程意義來說，黃土的特殊性質(zhì)最主要的是它的力學(xué)性質(zhì)特別是強(qiáng)度和濕陷特性。黃土的強(qiáng)度特性和變形特性主要表現(xiàn)為黃土的結(jié)構(gòu)性、欠壓密性和濕陷性。由于特定的地質(zhì)環(huán)境和物質(zhì)組成，黃土在沉積過程中形成的結(jié)構(gòu)狀態(tài)決定著結(jié)構(gòu)本身在新的條件下的變化傾向。可以這樣認(rèn)為，黃土的結(jié)構(gòu)性是黃土工程性質(zhì)的本質(zhì)。黃土的結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)為具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，

42、即具有保持土原始基本單元結(jié)構(gòu)形式不被破壞的能力。這種能力是由土的原始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和土粒間固化連接鍵強(qiáng)度組成的。黃土的結(jié)構(gòu)性是導(dǎo)致黃土欠壓密性的原因。黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一旦遭到破壞，如浸水、擾動等，黃土的力學(xué)性質(zhì)就會發(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。因此可以認(rèn)為黃土的結(jié)構(gòu)性和欠壓密性是黃土具有濕陷性的基本內(nèi)因。2.4 黃土地基沉降問題描述2.4.1 黃土的濕陷性質(zhì)黃土的濕陷性是指黃土在一定壓力作用下，受水浸濕后，土的結(jié)構(gòu)遭到破壞而發(fā)生顯著下沉現(xiàn)象的性質(zhì)。一般地，把形成于下更新世(q1)的午城黃土和形成于中更新世(q2)的離石黃土統(tǒng)稱為老黃土。覆

43、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。在全新世上部，部分地段還有新近堆積黃土存在，稱為q24黃土。研究資料表明，絕大部分q3、q4黃土具有濕陷性特征，部分q2黃土具有濕陷性。一、濕陷性黃土基本物理性質(zhì)1.顆粒組成:一般顆粒粒徑小于0. 005 mm,顆粒含量以粉粒居多，占5274 %，砂粒含量占1129 %，粘粒含量占826 %2.孔隙比:變化在0. 851. 24之間，大多數(shù)在1. 01. 1之間?？紫侗仁怯绊扅S土濕陷性的主要指標(biāo)之一。3.天然含水量:黃土的天然含水量與濕陷性關(guān)系密切。當(dāng)含水量大于一定比例時，黃土就不具備濕陷性。當(dāng)然，這與

44、各地區(qū)的黃土分布有關(guān)。4.飽和度:飽和度sr愈小，土的濕陷系數(shù)愈大。 5.液限:是決定黃土性質(zhì)的另一個重要指標(biāo)，當(dāng)液限在30%以上時，黃土的濕陷較弱且多為自重濕陷性黃土。二、濕陷性黃土力學(xué)性質(zhì)1.壓縮性:壓縮系數(shù)介于0. 11. 0 mpa-1之間。q2和q3早期黃土，多為中等偏低壓縮性；q3晚期和q4黃土多為中等偏高壓縮性。新近堆積黃土一般為高壓縮性，且其峰值往往在不到200 kpa時出現(xiàn)，壓縮系數(shù)最大值達(dá)到1. 0一2. 0 mpa-1。2.抗剪切強(qiáng)度(1)當(dāng)黃土的含水量低于塑限時，水分的變化對強(qiáng)度的影響最大，但當(dāng)含水量大于塑限時，含水量對抗剪強(qiáng)度的影響減小，而超過飽和含水量時，抗剪強(qiáng)度的

45、變化不大。(2)若土的含水量相同，則土的干重度越大，抗剪強(qiáng)度越高。(3)浸水過程時，黃土的濕陷處于發(fā)展過程中，此時抗剪強(qiáng)度降低最多。2.4.2 黃土的濕陷性評價濕陷性評價包括濕陷性判定及場地濕陷等級兩個方面。一、濕陷性判定在一定壓力下的室內(nèi)壓縮試驗測定的濕陷系數(shù)s:應(yīng)按下式計算: (2-1)式中：hp保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的土試樣，在一定加壓壓力下穩(wěn)定后的高度；h'p上述加壓穩(wěn)定后的土試樣，在浸水作用下下沉穩(wěn)定后的高度；h0土試樣的原始高度。評價濕陷的標(biāo)準(zhǔn)為:(1)當(dāng)s<0.015時，應(yīng)定為非濕陷性黃土；(2)當(dāng)s0.015時，應(yīng)定為濕陷性黃土。2、 場地濕陷類型和地基濕陷等級的劃分

46、場地的濕陷類型，應(yīng)按實測自重濕陷量或計算自重濕陷量判定。(1)當(dāng)自重濕陷量7cm時，應(yīng)定為非自重濕陷性黃土場地； (2)當(dāng)自重濕陷量>7cm時，應(yīng)定為自重濕陷性黃土場地。自重濕陷量zs應(yīng)按下式計算:(2-2)式中：第1層土在上覆土的飽和自重壓力下的自重濕陷系數(shù)，按下式計算：(2-3) hz保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的土樣，加壓至土的飽和自重壓力時，下沉穩(wěn)定后的高度； h'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) ； 0因土質(zhì)地區(qū)而異的修正系數(shù)，可查表。2.4.3 黃土隧道地基的濕陷性問題新建鄭西客專隧道穿越第四紀(jì)各期黃土地層，其洞口段及橋隧相連

47、段多位于具濕陷特征的q3、q4黃土地層中，需要進(jìn)行地基加固處理，以避免產(chǎn)生過大的地基沉降變形?，F(xiàn)場實測得到的各隧道部分物理指標(biāo)見表2-3.表2-3，物理參數(shù)表隧道名黃土類型含水量孔隙比飽和度液限濕陷系數(shù)秦東q3eo1313.50.850.626.750.158q2eo13+e1317.50.7168.326.550.005潼洛川q3eo139.50.9228.226.550.237q2eo13+e1311.40.7942.726.90.021q1eo13+e1315.80.696728.210.002高橋q3eo1310.30.783826.340.017q2eo138.60.6841.427

48、.830.016鳳凰嶺q3eo1310.60.7637.826.870.045q2eo1313.40.7452.327由表2-3可以看出，無論新、老黃土，各隧道所處地層的濕陷性系數(shù)均有大于0.015的情況，為了施工及運營的安全，必須進(jìn)行基底加固處理，嚴(yán)格控制沉降，使之符合高速客專安全標(biāo)準(zhǔn)。2.5 黃土地基加固處理方法 針對不同的地基類型可采用不同的地基處理方法，例如巖石地基可采用褥墊法、灌漿法，砂土地基可采用振動法、振沖法、強(qiáng)夯法，等等。目前在黃土地區(qū)工程實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

49、。復(fù)合地基的加固效果雖不及混凝土灌注樁，但性價比高，也能滿足工程的要求。從目前的工程實踐來看，復(fù)合地基的處理效果是令人滿意的。因此，在綜合比選各種加固措施后，鄭西客專黃土隧道大部分采用水泥土擠密樁對基底進(jìn)行加固處理，以便減小孔隙率，提高密實度，消除新老黃土的濕陷性。2.6 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)計規(guī)范及一些推薦方法。總結(jié)起來，目前各種各樣的沉降計算方法可歸納為以下幾個大類:(1)分層總和法這種方法原理比較簡單，計算方便，現(xiàn)有的各種各樣的

50、分析方法均是以分層總和為基礎(chǔ)。在各類實用計算方法中，通常把復(fù)合地基沉降量分為兩部分，如圖2-5所示，h為復(fù)合地基加固區(qū)厚度，z為荷載作用下地基壓縮層的厚度。復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮為s,，地基壓縮層厚度內(nèi)加固區(qū)下臥層厚度為z-h，其壓縮量為s2。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。至今所提出的復(fù)合地基沉降實用計算方法中，對下臥層壓縮量s2，大都采用分層總和法計算，例如假定一個擴(kuò)散角，便可按早期的分層總和法進(jìn)行計算；而對加固區(qū)范圍內(nèi)土層的壓縮量s1，可采用一種或幾種計算方法計算，這些方法有復(fù)合模量法、es法、應(yīng)力擴(kuò)散法、等效實體法等等，限于篇幅，此處不再一一

51、詳列。圖2-5 復(fù)合地基沉降示意圖分層總和法的一個非常重要概念是采用附加應(yīng)力來計算豎向沉降，本文將在下面的章節(jié)討論分層總和法對隧道地基加固的適用性。(2)彈性理論解析解。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。但是由于受到其理論本身的限制，如線彈性、均質(zhì)等前提條件，使得其計算在實踐推廣中遇到很大的困難。(3)數(shù)值分析解。數(shù)值分析法以有限單元法、有限差分法為基礎(chǔ)，可考慮不同的地層條件、邊界條件，還可考慮施工造成的力學(xué)變化過程、土體的粘性與蠕變特性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本文采取的主

52、要分析方法即為數(shù)值分析法。第三章 數(shù)值模擬方法簡介3.1 有限元的基本思想和優(yōu)點有限元法是適應(yīng)電子計算機(jī)的使用而發(fā)展起來的一種比較新穎和有效的數(shù)值計算方法。這種方法大約起源于20世紀(jì)50年代航空工程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析。1960年飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程師clough在他的論文中第一個采用有限元(finite element method )這一術(shù)語，并用有限元的思想求解了平面彈性問題。目前，有限元發(fā)已成為工程設(shè)計中不可或缺的一種重要方法。1、有限元法的基本思想:(1)假想把連續(xù)系統(tǒng)(包括桿系，連續(xù)體，連續(xù)介質(zhì))分割成數(shù)目有限的單元，單元之間只在數(shù)目有限的指定點(稱為節(jié)點)處相互連接，構(gòu)成一個單元集合體來

53、代替原來的連續(xù)系統(tǒng)。在節(jié)點上引進(jìn)等效載荷(或邊界條件)，代替實際作用于系統(tǒng)上的外載荷(或邊界條件)。(2)對每個單元由于分塊近似的思想，按一定的規(guī)則(由力學(xué)關(guān)系或選擇一個簡單函數(shù))建立求解未知量與節(jié)點相互作用(力)之間的關(guān)系(力一位移等)。(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)點變量(位移)為未知量的代數(shù)方程組，求解之就得到有限個節(jié)點處的待求變量。所以，有限元法實質(zhì)上是把具有無限個自由度的連續(xù)系統(tǒng)，理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問題。2、有限元法的優(yōu)點(1)概念淺顯，容易掌握，可以在不同的水平上建

54、立起對該法的理解:可以通過非常直觀的物理概念來理解，也可以建立給予嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析的理論。(2)實用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，幾乎適用于求解所有的連續(xù)介質(zhì)和場問題。(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算機(jī)所提供的方便。3.2 有限元數(shù)值模擬過程 (1)結(jié)構(gòu)的離散化。應(yīng)用有限元分析得第一步就是要將結(jié)構(gòu)離散化。其過程就是用一些假想的線或者面進(jìn)行切割，使其成為具有選定切割形狀的有限個單元體。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設(shè)置節(jié)點，使相鄰單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連續(xù)性。結(jié)構(gòu)離散時，劃分的單元的大小和數(shù)目應(yīng)根據(jù)計算精度的要求和計算機(jī)的容量來決定。 (2)確定單元的位移模式。首先必須對該單元的任意一點的位移分布做出假設(shè)用有限自由度的簡單位移來代替真實位移，即假定位移是坐標(biāo)的某種簡單的函數(shù)，通常采用多項式作為位移函數(shù)（位移模式），位移模式的合理與否，影響到有限元分析得精度、效率和可靠性。不管哪類位移單元，采用矩陣符號并建立相關(guān)的矩陣方程，單元中任意一點的位移矩陣d，均可用該單元節(jié)點位移排列成的矩陣，又稱單元節(jié)點位移矩陣，表示為。 (3-1)式中，n形函數(shù)矩陣。 (3)單元特性分析。 利用應(yīng)變和位移之間的關(guān)系即幾何方程，將得出單元任一點應(yīng)變與單元節(jié)點位移的關(guān)系： (3-2)式中，b變