《隧道開挖過程中的三維土拱效應及分析方法研究》是依託北京工業大學，由路德春擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：隧道開挖過程中的三維土拱效應及分析方法研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：路德春
- 依託單位：北京工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
我國正處在大規模的城市隧道工程建設時期，隧道開挖擾動引起圍岩土體的不均勻變形，導致土體中荷載的傳遞路徑發生偏離，形成土壓力拱。土拱效應是隧道圍岩變形與穩定性分析的核心問題，也是確定圍岩壓力進行隧道支護結構設計的基礎。本項目以隧道開挖為研究對象，針對土拱效應這一核心問題，以土的應力路徑相關性研究為主線，綜合運用相互作用理論採用數值模擬、理論分析與模型試驗相結合的研究手段，研究（1）開挖荷載作用下土的力學特性、本構模型及隧道圍岩土壓力拱的形成過程數值模擬；（2）隧道開挖模型試驗與隧道施工現場監測；（3）隧道圍岩三維土壓力拱效應分析方法，包含深埋隧道與淺埋隧道劃分標準及地面沉降模式、圍岩壓力分析模型及其時變演化規律三個層面的問題。在三維土壓力拱效應模擬模型與分析方法方面取得原創性研究成果，成果可為隧道開挖系統方案的制定、技術措施的實施提供科學支撐，為隧道開挖原理與災變控制理論的建立奠定基礎。
結題摘要
土壓力拱效應是地下工程開挖圍岩變形與穩定性分析的核心問題，也是確定圍岩壓力進行支護結構設計的基礎。本項目綜合採用理論分析、模型試驗和數值模擬三種研究手段，以隧道和基坑開挖為研究對象，研究土拱效應這一核心問題。取得的主要成果：（1）在土的應力路徑本構模型的基礎上，建立土的三維彈黏塑性應力路徑本構模型，可用於描述土體開挖時變形的時間效應；（2）通過編寫有限元材料子程式，將應力路徑本構模型嵌入商業軟體建立了土體開挖數值仿真模型；（3）研發設計了一套隧道開挖模擬試驗裝置，利用試驗數據驗證了新建數值仿真模型，研究了圍岩成拱模式與坍塌模式時土拱發生、發展機理和地層變形規律；（4）提出劃分深埋隧道與淺埋隧道的新方法，可較好地反映隧道開挖時圍岩土體變形的巨觀規律；（5）定義了剪脹比的概念，提出了土質隧道圍岩穩定性的評價方法，給出了臨界剪脹比的確定方法；（6）獲得了考慮支護壓力、土體物理力學參數的圍岩應力和位移解析解，給出了不同支護壓力下洞頂處開挖擾動區的邊界，提出了臨塑支護壓力的概念，並給出了其解析表達式，獲得了考慮塑性應力重分布影響的塑性區邊界解析解；（7）採用彈性理論和數值仿真相結合的方法，獲得了隧道無支護穩定狀態時拱頂處豎向位移和圍岩變形壓力公式；（8）從不均勻變形、應力重分配、應力路徑和地表沉降規律四個方面分析了隧道開挖過程中拱效應作用機理，獲得了基坑支護中樁間距、土粘結力及土的抗剪強度對土拱效應的影響規律。發表論文14篇，其中SCI收錄4篇，EI收錄12篇；申請發明專利1項；獲教育部科技進步一等獎1項(2, 2016)；培養國家優青1人、青年長江學者1名，博士生2名、碩士生7名，其中5人已獲得碩士學位。研究成果可為城市地下空間的規劃、建設提供科學對策，為城市隧道開挖系統方案的制定、技術措施的實施提供科學支撐，為隧道和基坑開挖原理與災變控制理論的建立奠定基礎。
