西安地铁隧道穿越地裂缝的模型试验研究

论文摘要

西安的地铁将穿越11条地裂缝,国内外在地铁工程的建设史上,并没有在此类场地建设地铁的先例,更没有规范规程可循。研究地裂缝对地铁隧道结构的作用机理和破坏模式,对西安地铁的建设具有一定的工程意义。为了研究地铁隧道穿越地裂缝段时,在地裂缝活动时的受力模式及其周围土体的压力的变化形式,利用自建的试验平台,进行了两种类型地铁结构穿越地裂缝的物理模型试验,分别是整体式隧道结构和分段式隧道结构。由试验结果可知,地裂缝的活动对穿越裂缝带的整体式隧道结构的影响范围主要在地裂缝附近两侧,尤其对下盘靠近裂缝带结构的影响最大,在地裂缝带附近结构顶部受拉,底部受压;对于穿过地裂缝的分段式结构,地裂缝活动对隧道结构的影响也集中在裂缝附近,与整体式隧道结构不同,分段式结构的位移较大,结构内力相对整体式较小,上盘土体中的结构受到纵向挤压作用。跨地裂缝的整体式隧道结构将阻止结构顶部一定范围内的岩土体向下运动,而结构两侧下降的土体对结构顶部的土体将产生向下的拖拽作用,这会极大地增大隧道结构顶部的竖向围岩压力;分段结构模型衬砌对其周围的围岩压力影响不大,在地裂缝活动时分段结构在地裂缝上盘部分随着上盘土体整体沉降,对其周围围岩产生阻碍作用较小。利用有限元软件对整体式模型进行数值模拟,将数值计算的结果与物理模型试验的结果进行比较,结果显示其位移、应力、应变等变化规律具有一致性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文研究的目的、意义和内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究意义
• 1.3.3 研究内容
• 第二章 西安地裂缝的基本特征
• 2.1 地裂缝的空间分布规律及基本特征
• 2.1.1 地裂缝的空间分布规律
• 2.1.2 地裂缝的基本特征
• 2.1.3 西安地裂缝对城市建设的危害及灾害特征
• 2.2 地裂缝影响下地铁隧道可能发生的破坏模式及病害
• 2.3 小结
• 第三章 结构模型试验
• 3.1 试验原理与装置
• 3.1.1 试验原理
• 3.1.2 试验平台
• 3.2 模型试验设计
• 3.2.1 模型的定义
• 3.2.2 相似原理
• 3.2.3 试验模型设计
• 3.3 数据采集
• 3.3.1 土压力盒的布设
• 3.3.2 应变片的布设
• 3.3.3 隧道模型的埋设
• 3.4 试验步骤
• 第四章 模型试验结果分析
• 4.1 整体式模型试验的结果分析
• 4.1.1 土体沉降分析
• 4.1.2 竖向土压力分析
• 4.1.3 模型受力变形分析
• 4.1.4 模型的变形破坏特征及裂缝发展规律
• 4.2 分段式隧道模型试验结果分析
• 4.2.1 竖向土压力分析
• 4.2.2 模型受力变形分析
• 4.2.3 模型的变形破坏特征和地裂缝的扩展
• 4.3 整体与分段式模型试验的对比研究
• 4.3.1 竖向土压力比较
• 4.3.2 模型的受力变形比较
• 4.3.3 裂缝发展规律比较
• 4.4 小结
• 第五章 试验模型数值分析
• 5.1 有限元的基本理论基础
• 5.1.1 有限元数学理论
• 5.1.2 有限单元法的一般格式
• 5.2 有限元计算
• 5.2.1 有限元模型
• 5.2.2 边界条件
• 5.2.3 计算参数
• 5.2.4 地裂缝模拟
• 5.2.5 结果分析
• 5.3 有限元模拟结果与模型试验结果的比较
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢