高速鐵路大斷面黃土隧道施工數值模擬畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 小，遇水易剝落侵蝕。隨著對第四紀以來地層及工程性質研究的深入和工程實踐的豐富，地質界和工程界現在普遍認為黃土是早更新世以來在干旱和半干旱這個特定地區沉積并成壤的物質。黃土是一種具有獨特工程性質的特殊性土。黃土的特殊性除了表現在它的地質特征，微觀結構特征以及其它物理性質以外，從巖土工程意義來說，黃土的特殊性質最主要的是它的力學性質特別是強度和濕陷特性。黃土的強度特性和變形特性主要表現為黃土的結構性、欠壓密性和濕陷性。由于特定的地質環境和物質組成，黃土在沉積過程中形成的結構狀態決定著結構本身在新的條件下的變化傾向。可以這樣認為，黃土的結構性是黃土工程性質的本質。黃土的結構性表現為具有一定的結構強度，即具有保持土原始基本單元結構形式不被破壞的能力。這種能力是由土的原始結構強度和土粒間固化連接鍵強度組成的。黃土的結構性是導致黃土欠壓密性的原因。黃土的結構強度一旦遭到破壞，如浸水、擾動等，黃土的力學性質就會發生顯著變化，處于欠壓密狀態的黃土在浸水后將產生顯著的附加變形即濕陷變形，形成了黃土的濕陷性。因此可以認為黃土的結構性和欠壓密性是黃土具有濕陷性的基本內因。 黃土地基沉降問題描述 黃土的濕陷性質黃土的濕陷性是指黃土在一定壓力作用下，受水浸濕后，土的結構遭到破壞而發生顯著下沉現象的性質。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)的離石黃土統稱為老黃土。覆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QQ4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:一般顆粒粒徑小于0. 005 mm,顆粒含量以粉粒居多，占52~74 %，砂粒含量占11~29 %，粘粒含量占8~26 %:變化在0. 85~1. 24之間，大多數在1. 0~1. 1之間。孔隙比是影響黃土濕陷性的主要指標之一。:黃土的天然含水量與濕陷性關系密切。當含水量大于一定比例時，黃土就不具備濕陷性。當然，這與各地區的黃土分布有關。:飽和度Sr愈小，土的濕陷系數愈大。 :是決定黃土性質的另一個重要指標，當液限在30%以上時，黃土的濕陷較弱且多為自重濕陷性黃土。二、濕陷性黃土力學性質:壓縮系數介于0. 1~1. 0 MPa1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，壓縮系數最大值達到1. 0一2. 0 MPa1。(1)當黃土的含水量低于塑限時，水分的變化對強度的影響最大，但當含水量大于塑限時，含水量對抗剪強度的影響減小，而超過飽和含水量時，抗剪強度的變化不大。(2)若土的含水量相同，則土的干重度越大，抗剪強度越高。(3)浸水過程時，黃土的濕陷處于發展過程中，此時抗剪強度降低最多。 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壓縮試驗測定的濕陷系數s:應按下式計算: (21)式中：hp——保持天然濕度和結構的土試樣，在一定加壓壓力下穩定后的高度；　　　h39。p——上述加壓穩定后的土試樣，在浸水作用下下沉穩定后的高度；　　　h0——土試樣的原始高度。　　　　評價濕陷的標準為:　　(1)當s，應定為非濕陷性黃土；　　　　(2)當s≥，應定為濕陷性黃土。 場地濕陷類型和地基濕陷等級的劃分　　場地的濕陷類型，應按實測自重濕陷量或計算自重濕陷量判定。　　(1)當自重濕陷量≥7cm時，應定為非自重濕陷性黃土場地； 　(2)當自重濕陷量7cm時，應定為自重濕陷性黃土場地。　　自重濕陷量△ZS應按下式計算:　　　　　　　　　　　　　　　(22)　式中：δＺＳｉ——第1層土在上覆土的飽和自重壓力下的自重濕陷系數，按下式計算：　　　　　　　　　　　　　　　　　(23)　 hz——保持天然濕度和結構的土樣，加壓至土的飽和自重壓力時，下沉穩定后的高度； h39。z——上述加壓穩定后的土樣，在浸水作用下，下沉穩定后的高度； hi——第i層土的厚度(cm) ； β0——因土質地區而異的修正系數，可查表。 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各期黃土地層，其洞口段及橋隧相連段多位于具濕陷特征的QQ4黃土地層中，需要進行地基加固處理，以避免產生過大的地基沉降變形。現場實測得到的各隧道部分物理指標見表23.表23，物理參數表隧道名黃土類型含水量孔隙比飽和度液限濕陷系數秦東Q3eo13Q2eo13+e13潼洛川Q3eo13Q2eo13+e13Q1eo13+e1367高橋Q3eo1338Q2eo13鳳凰嶺Q3eo13Q2eo1327由表23可以看出，無論新、老黃土，為了施工及運營的安全，必須進行基底加固處理，嚴格控制沉降，使之符合高速客專安全標準。 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、強夯法，等等。目前在黃土地區工程實踐中廣泛采用的地基處理措施有換填墊層法、強夯法、擠密樁法、堆載預壓法等等，而目前最為流行的是擠密樁法、碎石樁、CFG樁等復合地基處理的方法。復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。 復合地基現有沉降理論與方法盡管復合地基大量使用于工業與民用建筑基礎、交通路基工程等領域，但長期以來，復合地基沉降計算理論還不夠成熟，至今仍無明確的規范可用，基本上是參考《建筑地基基礎設計規范》及一些推薦方法。總結起來，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，現有的各種各樣的分析方法均是以分層總和為基礎。在各類實用計算方法中，通常把復合地基沉降量分為兩部分，如圖25所示，H為復合地基加固區厚度，Z為荷載作用下地基壓縮層的厚度。復合地基加固區的壓縮為S,，地基壓縮層厚度內加固區下臥層厚度為ZH，其壓縮量為S2。于是，在荷載的作用下復合地基的總沉降量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，例如假定一個擴散角，便可按早期的分層總和法進行計算；而對加固區范圍內土層的壓縮量S1，可采用一種或幾種計算方法計算，這些方法有復合模量法、Es法、應力擴散法、等效實體法等等，限于篇幅，此處不再一一詳列。圖25 復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力來計算豎向沉降，本文將在下面的章節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，或以Mindlin解析解為基礎，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)數值分析解。數值分析法以有限單元法、有限差分法為基礎，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變化過程、土體的粘性與蠕變特性，因而得到了廣泛的應用。本文采取的主要分析方法即為數值分析法。第三章 數值模擬方法簡介 有限元的基本思想和優點有限元法是適應電子計算機的使用而發展起來的一種比較新穎和有效的數值計算方法。這種方法大約起源于20世紀50年代航空工程中飛機結構的矩陣分析。1960年飛機結構工程師Clough在他的論文中第一個采用有限元(Finite element method )這一術語，并用有限元的思想求解了平面彈性問題。目前，有限元發已成為工程設計中不可或缺的一種重要方法。有限元法的基本思想:(1)假想把連續系統(包括桿系，連續體，連續介質)分割成數目有限的單元，單元之間只在數目有限的指定點(稱為節點)處相互連接，構成一個單元集合體來代替原來的連續系統。在節點上引進等效載荷(或邊界條件)，代替實際作用于系統上的外載荷(或邊界條件)。(2)對每個單元由于分塊近似的思想，按一定的規則(由力學關系或選擇一個簡單函數)建立求解未知量與節點相互作用(力)之間的關系(力一位移等)。(3)把所有單元的這種特性關系按一定的條件(變形協調條件)集合起來，引入邊界條件，構成一組以節點變量(位移)為未知量的代數方程組，求解之就得到有限個節點處的待求變量。所以，有限元法實質上是把具有無限個自由度的連續系統，理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題轉化為適合于數值求解的結構型問題。有限元法的優點(1)概念淺顯，容易掌握，可以在不同的水平上建立起對該法的理解:可以通過非常直觀的物理概念來理解，也可以建立給予嚴格的數學分析的理論。(2)實用性強，應用廣泛，幾乎適用于求解所有的連續介質和場問題。(3)采用矩陣形式表達，便于程序的編制，可以充分利用高速計算機所提供的方便。 有限元數值模擬過程 (1)結構的離散化。應用有限元分析得第一步就是要將結構離散化。其過程就是用一些假想的線或者面進行切割，使其成為具有選定切割形狀的有限個單元體。這些單元體被認為僅僅在單元的集合體來代替原來分析得結構，并在單元體得指定點設置節點，使相鄰單元的有關參數具有一定的連續性。結構離散時，劃分的單元的大小和數目應根據計算精度的要求和計算機的容量來決定。 (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，即假定位移是坐標的某種簡單的函數，通常采用多項式作為位移函數（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，均可用該單元節點位移排列成的矩陣，又稱單元節點位移矩陣，表示為。 (31)式中，N——形函數矩陣。 (3)單元特性分析。 利用應變和位移之間的關系即幾何方程，將得出單元任一點應變與單元節點位移的關系： (32)式中，B——變形矩陣。 利用應力和應變之間的關系即物理方程，推導出應力的表達式： (33)式中D——單元材料彈性常數所確定的彈性矩陣，S——應力矩陣。 利用虛位移原理，建立單元剛度矩陣： (34)式中——單元節點力矩陣，——單元等效荷載矩陣，單元剛度矩陣。 建立平衡方程組。集合所有的單元的平衡方程，建立整體結構的平衡方程。先將每個的單元剛度矩陣合成整體剛度矩陣，再將各單元的等效節點力集合成總的荷載陣列—總剛度矩陣。 (35) 由總剛度矩陣形成的整體結構平衡方程： (36)引入結構邊界條件，對方程組進行求解，得出節點位移，進而求個單元的內力和變形。 Ansys軟件介紹ANSYS是一種廣泛的商業套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機械結構系統受到外力負載所出現的反應，例如應力、位移、溫度等，根據該反應可知道機械結構系統受到外力負載后的狀態，進而判斷是否符合設計要求。一般機械結構系統的幾何結構相當復雜，受的負載也相當多，理論分析往往無法進行。想要解答，必須先簡化結構，采用數值模擬方法分析。由于計算機行業的發展，相應的軟件也應運而生，ANSYS軟件在工程上應用相當廣泛，在機械、電機、土木、電子及航空等領域的使用，都能達到某種程度的可信度，頗獲各界好評。使用該軟件，能夠降低設計成本，縮短設計時間。到80年代初期，國際上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP等。以ANSYS為代表的工程數值模擬軟件，是一個多用途的有限元法分析軟件，起初它僅提供結構線性分析和熱分析，現在可用來求結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、計算機圖形學和優化技術相結合，已成為現代工程學問題必不可少的有力工具。ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元軟件，可廣泛的用于核工業、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、生物醫學、水利、日用家電等一般工業及科學研究。該軟件提供了不斷改進的功能清單，具體包括：結構高度非線性分析、電磁分析、計算流體力學分析、設計優化、接觸分析