力学有关概念分析论文提纲

论文题目：深埋软岩隧道让压支护力学机理研究

摘要：随着我国“一带一路”战略的推进,西部重大基础设施工程相继实施。鉴于西部特殊的地理条件,隧道成为翻山越岭的较优选择。隧道施工中,软岩大变形往往导致常规支护失效,深埋软岩隧道大变形控制已成为我国隧道建设亟待解决的工程难题。因此,开展深埋软岩隧道变形控制的力学机理研究具有重要的科研和工程价值。本文基于非线性大变形力学理论,结合深埋软岩隧道的地质特点,对隧道发生大变形时初期支护的破坏特征进行深入的力学分析;依托在建隧道工程,开展围岩原位强度、松动圈、地应力、锚杆抗拔力和高强喷射混凝土等的原位试验,并在此基础上,开展深埋软岩隧道让压支护的力学理论和数值计算研究,剖析变形大与大变形的区别与联系,揭示常规锚喷支护变形破坏的力学机理,并提出让压支护应用的原则和方法。研究内容主要包括以下几个方面:（1）研究了常规初期支护破坏的力学机理。初期支护对于深埋软岩隧道来说,更多的发挥“结构”的功能,从初期支护的破坏特征看,整体弯曲变形破坏是主要形式,喷射混凝土的抗拉强度和极限应变低,拉裂压碎后,失去对钢拱架的约束,钢拱架局部发生压弯扭失稳破坏。常规支护根据围岩分级选择支护措施,缺少有针对性的力学分析,初期支护的承载能力和变形能力与围岩变形不协调,这是深埋软岩隧道变形破坏的主要原因之一。（2）研究了材料非线性、几何非线性和接触非线性在深埋软岩隧道力学计算中的适用性,分析了变形大的外在表现与大变形的力学本质。软弱围岩变形本质上是岩石的脆性破坏以及岩体结构面接触的非线性,且接触面的数量和性质在隧道变形过程中是不断变化的,软岩隧道数值分析常采用的连续介质模型,是以岩体的材料非线性来近似地表述岩体结构面之间的接触非线性;对于初期支护,几何非线性对支护结构的承载力有重要影响,必须加以考虑,力学计算应采用大变形力学理论。（3）提出了把钢拱架和喷射混凝土同时工作分为钢拱架单独工作和联合工作两个阶段的支护方法。通过增强钢拱架平面外支撑刚度和拱脚的稳定性,充分利用钢材的延性,实现柔性弯曲让压支护,根据变形监测及钢架应力应变情况,适时喷射高强混凝土形成型钢+喷射混凝土刚性组合支护结构。（4）提出了将“实现变形大,规避大变形”作为深埋软岩隧道初期支护设计的目标,并提出了环向让压支护的方法。研究了环向让压支护的力学机理,环向让压支护改变了常规支护以弯曲变形让压为主的支护模式,利用初期支护的轴力实现支护环向周长的缩短,降低几何非线性的不利影响,且其让压量可控,对围岩和初期支护均起到保护作用;研发了低抗压刚度的金属屈曲型环向让压装置,并根据让压装置的力学特征,提出让压装置应设置在弯矩（或弯曲变形）较小处,同时,由于该部位剪力往往较大,为确保让压装置抵抗剪切的刚度和承载力,让压装置具有“强剪弱压”的特点。（5）研究了让压预应力锚索在深埋软岩隧道大变形控制中的力学机理。设计新型让压锚垫板,在柔性让压阶段提供低预紧力、围岩重构三向应力状态,实现围岩、初期支护和锚索的协调变形;让压结束后,预应力锚索对初期支护的主要作用是减小跨度,进而提高支护结构的刚度和承载力,形成高承载力和高刚度的支护体系,实现先柔后刚的支护原则。（6）基于结构强度、刚度、稳定性的基本理论,明确了应用让压支护的前提是围岩的流变性和围岩自身的抗剪切能力,联合让压支护的目标是实现“柔刚-刚柔-强刚”的变刚度初期支护,通过降低初期支护局部抗压刚度实现柔性支护,通过提高抗弯刚度实现刚性支护。利用结构概念分析方法将隧道支护分为围岩结构和初期支护结构两个部分,借鉴拱结构稳定理论研究了控制围岩稳定的方法;对于初期支护,确保变形让压过程中,承载能力不降低是应遵循的重要原则,由让压预应力锚索和环向让压初期支护组成的联合让压支护,降低了几何非线性对初期支护的不利影响;利用预应力锚索的减跨作用,实现强刚支护;利用叠合结构力学理论,进行围岩改良,并采取措施提高围岩与喷射混凝土接触面的抗剪切能力,保证初期支护-围岩的一体化工作。

关键词：深埋隧道;软岩;非线性大变形;让压支护;力学机理

学科专业：桥梁与隧道工程

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 选题的背景和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 软岩的定义

1.2.2 软岩的分类

1.2.3 软岩隧道大变形的判定

1.2.4 深埋软岩隧道的变形机理

1.2.5 深埋软岩隧道的支护理论

1.2.6 让压支护的研究

1.2.7 深埋软岩隧道变形控制存在的问题

1.3 研究的内容与方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.3.3 研究技术路线

第2章 深埋软岩隧道初支破坏特征及原位试验

2.1 深埋软岩初支破坏特征及其诱因分析

2.1.1 依托工程地形地貌及地质状况

2.1.2 隧道初期支护典型破坏特征

2.1.3 隧道初期支护破坏的诱因分析

2.2 深埋软岩隧道现场原位试验

2.2.1 地应力测试

2.2.2 松动圈测试

2.2.3 原位强度测试

2.2.4 锚杆拉拔力测试

2.2.5 高强喷射混凝土试验

2.3 本章小结

第3章 深埋软岩隧道大变形非线性力学研究

3.1 软岩隧道大变形非线性力学

3.1.1 材料非线性

3.1.2 几何非线性

3.1.3 接触非线性

3.1.4 软岩隧道大变形的非线性

3.2 隧道围岩应力分布及破坏条件

3.3 隧道支护结构的非线性数值分析

3.3.1 隧道支护结构的内力解析

3.3.2 初期支护的力学大变形效应

3.3.3 深埋软岩隧道的非线性数值计算

3.4 本章小结

第4章 常规锚喷支护让压机理及应用创新研究

4.1 新奥法的让压思想

4.2 钢拱架特征曲线研究

4.3 钢拱架静力学稳定基本理论

4.4 钢拱架弯曲让压数值计算

4.4.1 钢拱架数值计算模型

4.4.2 弹性屈曲计算结果及讨论

4.4.3 非线性屈曲计算结果及讨论

4.5 本章小结

第5章 环向让压支护力学机理及结构形式研究

5.1 隧道开挖与支护的能量转化

5.2 支护结构内力及收敛值的力学解析

5.2.1 支护结构的内力解析

5.2.2 支护结构的收敛解析

5.3 金属屈曲型环向让压支护的数值计算

5.3.1 结构耗能装置的吸能机理

5.3.2 金属屈曲型让压装置的数值计算

5.3.3 环向让压支护的数值计算

5.4 环向让压装置安装位置的确定方法

5.4.1 变形监测确定法

5.4.2 结构反弯点确定法

5.5 本章小结

第6章 外置式让压预应力锚索力学机理研究

6.1 预应力锚固技术在隧道工程中的应用现状

6.2 预应力锚固技术的作用机理

6.2.1 预应力锚固技术对围岩的力学作用

6.2.2 预应力锚固技术对初期支护的力学作用

6.2.3 预应力锚索、围岩和初期支护的耦合作用

6.3 让压预应力锚索在软岩隧道变形控制中的应用研究

6.3.1 预应力锚索锚垫板让压结构的数值计算

6.3.2 预应力锚索对初期支护环向减跨作用的数值计算

6.4 本章小结

第7章 深埋软岩隧道让压支护结构化实现方法

7.1 结构概念分析的基本原理

7.2 围岩结构概念分析

7.3 让压支护的结构概念分析

7.4 联合让压支护

7.5 围岩和初期支护一体化

7.6 让压支护的适用条件及变形量控制

7.7 本章小结

第8章 结论与展望

8.1 研究结论

8.2 研究展望

致谢

参考文献

二.参加科研项目