深埋软弱围岩隧道支护结构可靠性分析

论文摘要

随着我国国民经济的蓬勃发展,公路客货运输量大幅度增长,高速公路成为中国公路建设的主流。由于隧道工程具有独特的优势而得到了广泛的应用,并取得了良好的社会效益和经济效益。但是由于隧道支护结构所处的环境条件较为复杂,围岩物理力学指标、荷载和结构抵抗能力等都不明确,给隧道支护结构的设计带来一定的盲目性。所以基于概率论与数理统计的结构极限状态设计原理对隧道工程的可靠性进行研究显得十分重要。本文从深埋软弱围岩隧道支护结构的工作机理出发,结合骡坪隧道的监控量测资料,根据可靠度理论相关文献的研究成果选择荷载效应与结构抗力作为随机变量,并建立隧道支护结构功能函数,采用结构可靠度分析的原理研究深埋软弱围岩隧道支护结构的可靠度,主要研究内容如下:①对比当前结构可靠度分析方法中一次二阶矩法、高次高阶矩法、随机有限元法、响应面法和蒙特卡罗法的优缺点,结合深埋软弱围岩隧道支护结构可靠性分析的特点,选择适当的方法进行可靠性分析。②通过骡坪隧道深埋软弱围岩典型断面支护结构的周边收敛和拱顶沉降现场监测,分析类似围岩条件下、采用相同支护参数而导致初期支护变形差异很大的不确定因素。③采用ANSYS软件建模分析,结合公路隧道设计规范和现场监测成果,以预留变形量作为位移控制条件,建立深埋软弱围岩隧道初期支护的结构功能函数;以偏心受压构件的抗压强度计算和抗拉强度计算为基础,建立二次衬砌的结构功能函数。④基于ANSYS软件中的PDS技术,利用APDL分别编制深埋软弱围岩隧道初期支护和二次衬砌可靠度分析程序,并考虑部分随机变量的相关性,采用蒙特卡罗法中拉丁超立方抽样方式对隧道支护结构作用效应、可靠性分析和灵敏度进行分析,计算隧道支护结构的失效概率和可靠指标,并找出引起隧道支护结构失效的主要因素。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 可靠度理论及其在隧道工程中应用研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 主要研究内容和技术路线
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 2 结构可靠度基本理论和分析方法比选
• 2.1 可靠性分析的基本概念和原理
• 2.1.1 结构设计中的基本随机变量
• 2.1.2 结构的极限状态
• 2.1.3 结构可靠性和可靠度
• 2.1.4 结构可靠指标
• 2.2 结构可靠度基本分析方法
• 2.2.1 结构可靠度分析的一次二阶矩法
• 2.2.2 结构可靠度分析的高次高阶矩法
• 2.2.3 随机有限元法
• 2.2.4 响应面法
• 2.2.5 蒙特卡罗方法
• 2.2.6 蒙特卡罗有限元法
• 2.3 可靠性分析方法的比选
• 2.4 本章小结
• 3 骡坪隧道支护结构监控量测及成果分析
• 3.1 工程概况
• 3.1.1 工程地质概况
• 3.1.2 隧道设计概况
• 3.1.3 隧道施工方案
• 3.2 骡坪隧道监测技术
• 3.2.1 监控量测主要目的
• 3.2.2 监控量测的主要内容
• 3.3 骡坪隧道支护结构监测成果分析
• 3.3.1 周边收敛数据分析
• 3.3.2 拱顶下沉数据分析
• 3.3.3 变形差异的对比分析
• 3.3.4 初支失效的原因分析
• 3.4 本章小结
• 4 深埋软弱围岩隧道初期支护可靠性分析
• 4.1 ANSYS 软件中PDS 技术简介
• 4.2 结构可靠性分析在ANSYS 中的实现
• 4.2.1 生成分析文件
• 4.2.2 可靠性分析阶段
• 4.2.3 后处理阶段
• 4.3 骡坪隧道深埋典型断面开挖二维数值分析
• 4.3.1 模型选用的单元及强度准则
• 4.3.2 有限元选用的计算参数
• 4.3.3 隧道有限元计算模型
• 4.3.4 数值模拟结果分析
• 4.4 骡坪隧道深埋典型断面初期支护可靠性分析
• 4.4.1 极限状态方程的建立
• 4.4.2 Ⅴ级围岩和初期支护随机参数统计特征
• 4.4.3 初期支护可靠性分析中随机变量的相关性
• 4.4.4 深埋软弱围岩隧道初期支护可靠度结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 深埋软弱围岩隧道二次衬砌可靠性分析
• 5.1 荷载—结构模型简介
• 5.2 建立二次衬砌可靠性分析模型
• 5.2.1 二次衬砌结构模型的建立
• 5.2.2 计算参数的选取
• 5.2.3 计算结果的分析
• 5.3 二次衬砌结构可靠性分析
• 5.3.1 极限状态方程的建立
• 5.3.2 我国隧道整体式衬砌目标可靠指标的确定
• 5.3.3 二次衬砌可靠性分析中随机变量的统计特征
• 5.3.4 二次衬砌可靠性分析中随机变量的相关性
• 5.3.5 二次衬砌可靠度结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B 作者在攻读学位期间参与的科研项目