论文题目：黄土湿陷对地铁结构稳定性影响机制及剩余湿陷量控制标准研究
摘要：在西安地铁建设中有大量隧道穿越湿陷性黄土地层的情况,黄土潜在的湿陷变形会严重威胁隧道结构的安全稳定。因此正确评估黄土湿陷对隧道衬砌结构危害就显得尤为重要,现行规范的黄土地基湿陷变形评价方法更适用于地面建筑物地基处理,直接用于地铁隧道地基处理存在一定的盲目性和不科学性。本文以西安地铁十号线（杨家庄-水景公园区间）为工程背景,通过模型试验及有限元数值仿真模拟研究不同湿陷工况下隧道结构受力及变形特征,通过有限元分析地基不同处治深度下黄土湿陷对隧道结构破坏程度,寻求湿陷性黄土地铁地基处理的合理深度,制定地基剩余湿陷量的控制标准。本文的研究内容及结论如下:1.基于现有湿陷性黄土隧道的研究,分析黄土湿陷性对盾构隧道结构在变形及受力等方面的影响规律,结合《地铁设计规范》和《混凝土结构设计规范》提出盾构隧道结构的受力变形标准以及隧道管片裂缝宽度标准和计算方法。对《湿陷性黄土地区建筑规范》中地基处理评价标准进行分析,得出规范中剩余湿陷量控制标准主要适用于地表建筑物的地基处理,对于湿陷性黄土隧道地基处理评价标准还需进一步研究。2.以西安地铁十号线为工程背景设计模型试验分析不同浸水湿陷条件下隧道结构受力及变形。上覆黄土全幅湿陷时衬砌整体受力相对均匀,拱顶处弯矩值轴力值变化最为明显,上覆横向半幅湿陷衬砌受力较上覆全幅湿陷数值有所减小,湿陷一侧受力相对未湿陷一侧较大,受力最大处为衬砌湿陷一侧拱肩。隧底全幅湿陷时,衬砌受力整体受力相对均匀,拱顶左拱肩及仰拱处受力增加,其他测点处的受力呈减小趋势,拱顶处受力增加最为明显。隧底横向半幅湿陷时,衬砌整体受力较隧底全幅湿陷时均有所增加,湿陷一侧拱脚处受力变化最为明显。上覆和隧底全幅湿陷时,隧道主要发生竖直方向的沉降,横向半幅湿陷时,隧道在竖直方向和水平方向上均有偏移,隧底横向半幅湿陷时,隧道向湿陷一侧偏移,上覆横向半幅湿陷时,隧道向未湿陷一侧偏移,因此当隧道穿越湿陷性黄土地层时要谨慎处理。3.借助ABAQUS有限元软件系统开展了不同浸水湿陷条件下隧道结构受力及变形分析研究,得出各种湿陷工况均会对隧道造成不同程度的影响。全幅湿陷引起的沉降比半幅湿陷引起的沉降要大;隧底湿陷引起的沉降要大于周边及上覆湿陷引起的沉降。隧底及周边湿陷对隧道结构受力的影响比上覆湿陷要大,半幅湿陷对隧道结构受力的影响比全幅湿陷更大。无论隧周湿陷还是隧底湿陷,都可能对隧道结构带来不利影响,因此,必须采取有效的地基处理及隔水防渗措施,避免湿陷性黄土的浸水湿陷带来的不利影响。4.以地表三轴搅拌桩处治为隧道湿陷性黄土地基的方法,通过分析不同处理深度下黄土湿陷对隧道结构的受力及变形影响,结合隧道结构控制标准,分析得出隧道地基合理处理深度。通过4组不同工况的分析研究得出,随着处理深度的增加,地基承载力增加,剩余湿陷量减小,管片横向变形及竖向变形都随之减小。从模拟结果分析发现随着处理深度逐渐增加,地基处理对湿陷量减小的作用逐渐变小,因此从安全和经济的角度出发,设计合理的地基处理深度对于黄土地区地铁隧道修建具有重要意义。通过对比数值模拟与理论计算结果可知,隧底湿陷性黄土处理厚度为隧底湿陷黄土层的65%~80%。
关键词：湿陷性黄土;地铁隧道;模型试验;数值模拟;湿陷变形;剩余湿陷量
学科专业：建筑与土木工程（专业学位）
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 黄土湿陷性的研究现状
1.2.2 黄土湿陷对隧道的影响研究现状
1.2.3 隧底剩余湿陷量的研究现状
1.3 研究内容和技术路线
1.3.1 研究内容
1.3.2 技术路线
第二章 地铁结构控制标准的提出及现有湿陷性黄土评价方法研究
2.1 依托工程概况
2.1.1 西安地铁十号线线路概况
2.1.2 沿线地质条件
2.1.3 沿线水系
2.2 黄土湿陷对既有隧道的影响
2.2.1 上覆黄土湿陷
2.2.2 周边黄土湿陷
2.2.3 隧底黄土湿陷
2.3 地铁隧道控制标准
2.3.1 盾构隧道管片受力及变形标准
2.3.2 管片裂缝标准及计算
2.4 剩余湿陷量的控制标准的研究
2.4.1 湿陷量计算的研究
2.4.2 湿陷性黄土评价的研究
2.4.3 剩余湿陷量的控制标准的研究
2.5 本章小结
第三章 黄土湿陷对隧道结构影响模型试验分析
3.1 模型试验目的
3.2 相似比的确定
3.3 模型试验地层材料的选配
3.3.1 湿陷性黄土的配制
3.3.2 液塑限的测量
3.3.3 力学参数的测定
3.3.4 湿陷系数的测定
3.3.5 压缩模量的测定
3.4 模型隧道衬砌的模拟
3.4.1 配制衬砌模型原材料的选择
3.4.2 模型衬砌材料力学性能的测试
3.4.3 模型衬砌配筋的计算
3.4.4 模型衬砌的制作
3.5 试验工况设置
3.6 模型装配及试验步骤
3.6.1 模型箱及监测仪器
3.6.2 试验步骤
3.7 结果分析
3.7.1 上覆黄土全幅湿陷
3.7.2 上覆黄土横向半幅湿陷
3.7.3 隧底黄土全幅湿陷
3.7.4 隧底黄土横向半幅湿陷
3.8 本章小结
第四章 黄土湿陷性对隧道结构影响有限元分析
4.1 ABAQUS仿真模型的建立
4.2 本构模型的选取及模型参数的确定
4.2.1 本构模型的选取
4.2.2 参数的确定
4.3 模拟工况设计
4.4 数值模拟结果分析
4.4.1 上覆黄土湿陷
4.4.2 隧道周边黄土湿陷
4.4.3 隧底15m黄土全幅湿陷
4.4.4 隧底15m黄土横向半幅湿陷
4.4.5 隧底15m黄土纵向半幅湿陷
4.5 本章小结
第五章 隧底湿陷性黄土剩余湿陷量控制标准研究
5.1 盾构地基处理方法比选
5.1.1 盾构施工工艺
5.1.2 盾构隧道地基处理方法介绍
5.1.3 盾构隧道湿陷性黄土地基处理方法选择
5.2 有限元分析参数设定
5.2.1 工况设定
5.2.2 模型建立
5.2.3 参数的确定
5.3 结果分析
5.3.1 隧底15m湿陷性黄土
5.3.2 隧底12m湿陷性黄土
5.3.3 隧底9m湿陷性黄土
5.3.4 隧底6m湿陷性黄土
5.4 本章小结
结论与建议
结论
建议
参考文献
致谢
