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黄土隧道开挖_大学毕业设计
摘 要
随着我国西部大开发战略的实施，高等级的公路得到了迅猛发展。与此同时，在高速公路建设中包含大量的黄土隧道。由于黄土公路隧道洞室开挖断面大、地质条件复杂、施工难度高、附属设施多，因此在隧道工程的建设过程中出现了诸多问题。本文基于黄土力学参数，运用岩土工程数值分析软件Midas GTS，进行黄土地层地下隧道开挖对周围土体变形影响的计算机模拟分析。根据黄土场地的实际条件，建立了隧道的计算模型，利用Midas GTS程序，模拟了黄土隧道开挖过程中前期支护条件、后期加固措施等因素对隧道内部地表、拱顶、侧墙以及地上建筑物沉降的影响程度和塑性区、位移的分布规律。仿真黄土隧道开挖数值模拟，以及开挖过程对周围土层的影响，可为黄土地区的地下工程建设提供一定的参考。
关键词：黄土隧道 ， 数值模拟 ， Midas GTS
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Abstract
With the implementation of the strategy of western development in our country， high-grade highway got rapid development. At the same time，contains a large number of loess tunnel in expressway construction. Due to the loess highway tunnel cavern excavation section of large，complex geological conditions，construction difficulty is high，the ancillary facilities，more so in tunnel engineering construction problems appeared in the process. Based on loess mechanics parameters，by use of numerical analysis of geotechnical engineering software Midas GTS，loess stratum underground tunnel excavation on the surrounding soil mass deformation impact analysis of the computer simulation. According to the actual condition of the loess field，established the calculation model of the tunnel，using Midas GTS procedure，loess tunnel excavation are simulated by the early supporting conditions，later in the process of reinforcement measures on the tunnel internal surface，the influence degree of the side wall and the ground settlement of buildings and the plastic zone，displacement distribution. Loess tunnel excavation simulation numerical simulation，and the influence of excavation process on the surrounding soil，for underground engineering construction in loess regions provide certain reference.
Key words: loess tunnel， the numerical simulation， Midas GTS
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目 录
1 绪 论........................................................................................................................................... 1
1.1 黄土的特性 ....................................................................................................................... 1
1.1.1 黄土的成分组成 ................................................................................................... 1 1.1.2 黄土的分类 ........................................................................................................... 1 1.1.3 黄土的特性 ........................................................................................................... 2 1.2 黄土隧道建设历史 ........................................................................................................... 3
1.2.1 铁路黄土隧道的建设历史 ................................................................................... 3 1.2.2 公路黄土隧道建设历史 ....................................................................................... 4 1.3 黄土隧道建设技术问题 ................................................................................................... 4
1.3.1 大断面黄土隧道的工程特性和变形性机理问题 ............................................... 5 1.3.2 适用于黄土隧道的支护结构问题 ....................................................................... 5 1.3.3 黄土隧道地表沉降控制和地表裂缝技术问题 ................................................... 5 1.3.4 黄土隧道拱脚稳定性问题 ................................................................................... 5 1.3.5 湿陷性黄土隧道地基处理技术问题 ................................................................... 5 1.4 隧道开挖方法的选择 ....................................................................................................... 6
1.4.1 全断面开挖法 ....................................................................................................... 6 1.4.2 台阶法施工 ........................................................................................................... 6 1.4.3 环形开挖留核心土法 ........................................................................................... 7 1.4.4 中隔壁法（CD法） ............................................................................................ 8 1.4.5 交叉中隔壁法（CRD法） .................................................................................. 8 1.4.6 双侧壁导坑法（眼镜法） ................................................................................... 9 1.5 研究任务 ........................................................................................................................... 9 2 有限元分析 ................................................................................................................................. 10
2.1 有限元概念 ..................................................................................................................... 10 2.2 有限元的发展历史与现状 ............................................................................................. 10
2.2.1 有限元的发展历史 ............................................................................................. 10 2.2.2 有限元的现状 ..................................................................................................... 10 2.3 有限元的数学基础研究 ................................................................................................. 11 2.4 有限元的基础理论 ......................................................................................................... 11
2.4.1 离散化 ................................................................................................................. 12 2.4.2 单元分析 ............................................................................................................. 12 2.4.3 整体分析 ............................................................................................................. 14 2.5 基本原理和数理概念 ..................................................................................................... 15 2.6 位移模式及形函数 ......................................................................................................... 16
2.6.1 等截面梁单元 ..................................................................................................... 16 2.6.2 三结点三角形单元 ............................................................................................. 18 2.6.3 双线性矩形单元 ................................................................................................. 19 2.6.4 平面等参数单元 ................................................................................................. 20 2.7 数值方法的收敛性 ......................................................................................................... 22 2.8 有限元分析的方法步骤 ................................................................................................. 23 2.9 有限元分析 ..................................................................................................................... 24 2.10 有限元分析的作用及特点 ........................................................................................... 25
2.10.1 有限元分析的作用 ........................................................................................... 25
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2.10.2 有限元分析的特点 ........................................................................................... 26
3 有限元分析软件MIDAS GTS .................................................................................................. 27
3.1 MIDAS简介 ................................................................................................................... 27 3.2 MIDAS GTS(岩土和隧道结构专用分析系统)简介 ..................................................... 28 3.3 MIDAS/GTS的数值分析模型 ...................................................................................... 28
3.3.1 岩土分析； ......................................................................................................... 29 3.3.2 坐标系和节点； ................................................................................................. 29 3.3.3 单元类型. ............................................................................................................ 30
4 黄土隧道开挖过程的数值模拟 ................................................................................................. 31
4.1 建立模型 ......................................................................................................................... 31
4.1.1 隧道模型基本资料： ......................................................................................... 31 4.1.2 模型效果图： ..................................................................................................... 31 4.2 主要运行结果 ................................................................................................................. 32
4.2.1 模型开挖不同时期的应力云图 ......................................................................... 32 4.2.2 不同施工阶段的应变等值线云图 ..................................................................... 35 4.2.3 不同施工阶段的位移等值线云图 ..................................................................... 38 4.2.4 不同施工阶段位移变形云图 ............................................................................. 41 4.2.5 不同开挖阶段拱顶位移 ..................................................................................... 44 4.2.6 地面的发生竖向位移 ......................................................................................... 44 4.2.7 隧道内侧变形 ..................................................................................................... 45 4.3 不同施工阶段对比 ......................................................................................................... 46
4.3.1 前两米隧道开挖 ................................................................................................. 46 4.3.2 后两米隧道开挖 ................................................................................................. 47
结 论 ............................................................................................................................................ 49 致 谢 .............................................................................................................................................. 1 参考文献........................................................................................................................................... 2
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1 绪 论
1.1
黄土的特性
1.1.1 黄土的成分组成
黄土的颗粒成分以粉粒为主，在黄土中粉粒（粒径0.005~0.05mm）含量一般在60%以上。黄土中普遍含有砂粒，但以极细砂（0.05-0.1mm)居多细砂含量很少，一般粒径均小0.25mm。粘土含量一般在20%左右。在黄河中游黄土颗粒组成中，由北向南和由西向东砂砾逐渐减少，而黏土含量逐渐增多。
黄土中的矿物质成分包括碎屑矿物和黏土矿物。碎屑矿物主要是石英、长石和云母，这三类矿物的总含量占全部碎屑矿物的80%，还有少量辉石、角闪石、绿帘石和磁铁矿等。此外，黄土中还含有碳酸盐矿物，如方解石。黏土矿物主要是伊利石、蒙脱石、高岭石、针铁矿和含水赤铁矿等。
1.1.2 黄土的分类
中国黄土的分布面积比世界上任何一个国家都大，而且黄土地形，在中国发育得最为完善，规模也最为宏大。中国西北的黄土高原是世界上规模最大的黄土高原；华北的黄土平原是世界上规模最大的黄土平原。中国黄土总面积达63.1万平方公里，占全国土地面积的6％。
从地理位置上来看，中国的黄土主要分布在北纬40°以南的地区，位于大陆的内部、西北戈壁荒漠以及半荒漠地区的外缘。从区域来看，中国的黄土主要分布于广大西北地区的黄土高原以及华北平原和东北的南部。黄土高原的面积约占全国黄土分布总面积的70％以上，黄土层的厚度一般都达100米以上，其中陕北和陇东的局部地区达150米，在陇西地区超过200米。具体来说，黄土主要分布于甘肃的中部和东部，陕西的中部和北部，内蒙古伊克昭盟的南部和西部，山西的大部分，河南的北部、西部及西北部，山东西部以及辽宁山地一带。华北平原的黄土则多被埋藏在较深的冲积层的下部。
总之，在长城以南，秦岭以北，西迄青海东部，东至海边的整个黄河流域都有黄土分布。在长城以北，黄土就逐渐消失。此外值得注意的是，天山北麓、昆仑山麓、祁连山麓也有黄土分布。一般认为中国黄土的分布南止秦岭，但事实上在宝鸡以南，秦岭中的凤县、双石铺一带，再南至柴关岭也都有黄土分布。即使在汉中盆地或向东到大别山北坡、江苏北部，甚至南京附近以及长江流域的某些地区也有零星的黄土分布。
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