水利水电学院毕业设计开题报告模板 1副本.docx
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水利水电学院毕业设计开题报告模板1副本
毕业设计(论文)
开题报告
题目西安市黄土地铁隧道施工
对地面沉降槽的影响规律
分析
专业城市地下空间工程
班级城地101
学生宋志阳
指导教师马宗源党发宁
2014年
一、毕业设计(论文)课题来源、类型
通过有限元计算理论和ABAQUS结构分析商用计算软件来分析西安市地铁黄土隧洞施工过程中的不均匀变形和应力分布以及地面沉降变形规律。
结合西安市地铁施工的工程背景,以南门到南稍门段地铁区间隧道施工为具体实例,通过模拟施工过程的变形分析,计算出洞室开挖过程中地面的总沉降量、沉降槽曲线特征及影响因素,通过应力分析来判断洞室支护体的稳定性。
该课题类型为论文。
二、选题的目的及意义
西安市是西部大开发的龙头城市,而大力修建地铁又是解决日益拥堵的城市交通问题的根本保障。
在西安黄土地区修建地铁又面临着与其他软土地区修建地铁不同的工程问题。
然而,针对黄土地区地铁施工对地面沉降影响的研究又非常少,该课题的选定具有一定的现实工程意义。
结合西安地铁二号线一期工程南门-南稍门区间的工程地质状况,对所要分析的地层进行三维建模。
通过有限元计算。
最后绘制出地基不同截面上的变形、地面沉降槽和应力分布图,分析地面变形特征和洞室周边应力分布特征。
计算出地面总沉降量、最大沉降量和最大沉降差,根据应力分布判断洞室衬砌的稳定性;计算围岩中的最大应力及分布规律,判断围岩土体的稳定性。
对衬砌的设计和隧道施工提出合理化建议。
该课题要求学生使用有限元方法及弹塑性力学基本理论研究黄土隧洞施工过程中地面沉降变形和洞室周围应力分布规律,通过分析能够得知洞室衬砌的稳定性,能够得知地面沉降变形的分布。
通过完成该课题,使学生掌握三维有限元建模方法,隧道围岩的应力和变形分析方法,达到综合运用计算力学、土力学知识解决工程实际问题的效果。
该课题可为该生毕业后的实践工作奠定一定的理论基础。
三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势
3.1地表沉降理论
(1)横断面地表沉降分布
目前工程实践中应用比较普遍的是Peck公式和一系列修正的Peck公式。
Peck[1]通过对大量地表沉陷数据及工程资料分析后认为,隧道开挖后引起的地面沉降是在不排水情况下发生的,所以沉槽的体积应等于地层的体积损失。
此法假定地层损失在隧道长度上均匀分布,地面沉降的横向分布似正态分布曲线如图1.1所示。
英国的现场观测结果,剑桥大学70年代及80年代初期的工作结果都和Peck的假定一致。
最大沉降量
沉降
反弯点
离中心线距离x
1.1
(2)横断面地表水平位移分布
Attewell.Reillv和New[2]建议对于粘土中的隧道,可以假定地层位移矢量指向隧道轴线,从而导出下面的关系式:
(1)
sh:
横断面地标水平位移
sv:
横断面地表沉降
x:
地面点距隧道中心线的距离
z0:
隧道轴线埋深
(3)纵断面地表沉降分布
刘建航[3]院士在总结延安东路隧道沉降分布规律基础上,地层损失的概念,并修正了Peck公式预测地表纵向沉降计算式。
国内同济大学,从20世纪70年代起,开始隧道施工地表沉降的实测和理论研究工作,先后对上海试验段等隧道进行了现场实测和监控,在现场实测和理论研究工作的基础上,对peck公式进行了修正。
提出了考虑土体受扰动后固结沉降的计算公式。
3.2计算机仿真技术在岩土工程领域的研究运用现状
二十世纪30年代以后,由于计算机技术的发展和进步,数值分析开始广泛的应用于岩土工程领域。
近30年来,土力学数值分析方法得到迅速发展,出现了有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)、边界元法(BEM)、无限元法(IEM)、拉格朗日元法(LEM)、刚体弹簧模型或刚性有限元法(RBSM或RFEM)、离散元法(DEM)、非连续变形分析方法(DDA)、无单元法(EFM)、流形元法(MM)及其耦合的数值计算方法和以数值模拟为主的渐进破坏模型等各种数值分析技术。
这些数值分析方法大致分为连续变形分析方法和非连续变形分析方法两大类,他们分别将岩土体介质抽象为连续介质模型和离散体系模型两大类进行数值计算。
但是总的来说,数值分析模型对施工过程中考虑的因素较少,尚未达到真正的工程施工过程的仿真。
国内文献中对个别具体因素引起变形和位移的研究较多,而对多个因素同时作用时的效果研究的较少。
但既有的理论都是建立在具体工程实例基础上,具有局限性。
而纯解析法得到的是理论解,精度高,计算量小,但解题范围有限。
盾构施工对岩土环境影响的研究,大多集中于地表面变形的经验预估、数值模拟方面,而对引起地层移动和变形的土体扰动以及扰动土性研究较少。
实验室中进行了一些土样扰动的研究,但在理论上研究仍显不足且缺乏评价指标。
而对于地表沉降控制标准的研究,我国主要是根据盾构施工中各地区实际工程经验设定地表沉降控制数值,同时广州、上海、南京各地的盾构施工地表沉降控制标准根据隧道通过的实际地质情况确定,当同时考虑地质情况及周围坏境的影响时并没有全国统一、通用的标准。
当前更多的学者处在对实际工程的模拟和数值分析方面。
同济大学在总结二十多年来研究成果的基础上,提出了把专家系统用于隧道沉陷预估的设想,1991年将其应用于上海地铁一号线的施工监测,在应用中取得了较为满意的结果。
3.2.1盾构法施工对地面沉降槽的影响
我国的大量学者和工程技术人员通过数值模拟研究了隧道施工引起的沉降。
李建华[4]采用模糊随机理论预测盾构施工引起的地层移动,基于随机场理论、随机有限元、模糊概率测度和数理统计方法,对软土隧道工程中的不确定性问题进行了较深入的探讨。
李文秀[5]根据岩土工程中大量观测资料的统计分析,利用模糊概率测度理论,建立了具有普遍意义的岩(土)体移动模糊数学模型,并用于分析地下开挖引起的地表移动。
孙钧,袁金荣[6]采用了人工智能神经网络技术,考虑了盾构施工参数、盾构物理参数、地质环境条件对地层移动的综合影响,对上海铁道2号线盾构施工引起的地表沉降进行了预测。
于宁,朱合华[7]采用适应性较强的有限元法,对盾构隧道施工过程中的施工步骤、管片与土层接触面以及开挖过程中地应力释放等多方面进行了有拟,利用同济曙光软件分析了盾构施工对临近构筑物的影响以及地层的变化情况。
刘元雪,施建勇等[8]分别采用可以考虑土体小应变特性的本构模型和修正剑桥模型对盾构施工进行平面应变分析,用张云等提出的等代层的概念来描述盾构施工过程中盾尾空隙大小、注浆充填密实程度、隧道周围土体的扰动程度和范围。
国外方面Yeh,I—Cheng[9]研究了神经网络在盾构隧道自动土压平衡控制中的应用,研制了盾构施工土压力平衡控制的神经网络软件系统,并在台北市一个隧道工程中加以应用检验,取得了很好的效果。
Rowe,Lo和Kack[10]引入间隙参数来描述盾构隧道施工引起的地层损失,先允许隧道周围土体向开挖区自由变形,当土体径向收敛值达到预定的总间隙参数值时,盾构衬砌单元被激活并假定土体与盾构衬砌充分接触,并考虑了土与衬砌的相互作用。
用他们的平面应变弹塑性有限元程序对预测软粘土中有衬砌隧道施工引起的表面沉降进行了排水状态下的研究,分析了隧道下覆土层的弹模和厚度、土体静止侧压力系数K。
注浆压力、土体自重、各向异性等因素对平面分析结果的影响。
3.2.2浅埋暗挖法对地面沉降槽的影响
金凤年和钱七虎[11]应用非线性粘弹性模型,对全断面开挖隧洞的开挖过程进行了三维有限元计算,讨论了开挖面和开挖速度的影响。
计算结果表明开挖面的影响范围约为洞室直径的2倍。
刘召刚,康海贵[12]以厦门海底隧洞浅埋段为研究对象,分别就台阶法、双侧壁导坑发和CRD法三法开挖方案进行非线性有限元数值模拟,对各种功法引起的位移场做了详细对比分析,指出了各种开挖过程中位移场的分布规律、变化趋势以及重点控制环节。
刘豆豆,陈卫忠[13]采用大型大型有限元工程模拟分析软件ABAQUS,模拟二道垭隧道的开挖与支护过程,研究隧道开挖后考虑不同应力释放比例再支护时的计算结果更好的反映工程围岩的变形和破坏特性。
曲学兵,苏卫红[14]结合浙江省上三线任胡岭超浅埋段复杂的地质条件,采用了挖孔桩系梁帷幕暗挖的施工方案,并有限元方法对该方案进行了模拟分析,保证了施工的顺利进行。
王文正,夏永旭,胡庆安正[15]确模拟围岩的卸载过程是地下工程数值模拟的一个重要课题。
文章讨论了应用“施加虚拟支撑力逐步释法”来模拟隧道施工过程中围岩应力释放的原理。
吴波,高波[16]根据动态规划最优化原理,以地表沉降作为目标函数,建立城市地铁区间隧道洞群开挖顺序优化分析数学模型。
针对深圳地铁大剧院站——科学馆站区间三连拱隧道工程,基于ANSYS软件平台进行了隧道洞群开挖顺序的选优工作。
计算初始位移场,根据假定和约束条件,进行隧道洞群开挖顺序选优工作。
计算初始位移场,根据假定和约束条件,进行隧道洞群分布开挖的自动排序,得出可能的顺序组合,以地表沉降值增量作为报酬函数,以累积的地表沉降量作为目标函数,对每个开挖阶段目标函数值进行分析比较,得到施工优化顺序。
这种方法在选出了最优和次优路径的同时,从理论上证明了采用中洞法施工时科学的、合理的。
沈卫平[17]利用我国西部大开发的战略决策,必将促进西北地区铁路建设的快速发展,而黄土地区隧道在铁路建设中的地位日益重要。
文章以正在建设的神延铁路为切入点,就黄土隧道施工方案的选择进行讨论。
汪小敏,黄宏伟,谢雄耀[18]对软弱围岩隧道施工中的力学形态进行了计算机模拟与分析。
以杭新景高速公路白炭坞隧道为实体建模,采用有限元程序对其施工全过程进行三维塑性分析;重点分析不同的施工方法和支护方式对控制围岩变形的作用。
计算结果表明:
隧道的支护方式对减小由开挖引起的扰动起着重要作用,掌子面距离支护段距离越短,引起的沉降越小;对于软弱围岩,采用台阶法开挖时,台阶的长度不宜过长,一般应在0.5倍的洞泾左右。
高怀志,李养平[19]在天津地铁1号线工程建设中,并首次成功采用浅埋暗挖建成了南运河、西门、四马路等区间风道和营口道车站部分出入口和风机房等附属设施。
文章以营口道站1风机房通道暗挖施工为例,介绍了浅埋暗挖法的特点以及隧道施工人员针对天津底层特点所采取的对策。
参考文献
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[17]罗书彦.北京地铁雍和宫站浅埋暗挖数值分析[J].山西建筑,2007.12
[18]汪小敏,黄伟宏,谢雄耀.软弱围岩隧道施工三维有限元分析[J].地下空间与工程学报,2007.12
[19]高怀志,李养平.浅埋暗挖法在天津1号线工程中的应用[J].隧道建设,2005.8
四、本课题主要研究内容
本课题使用弹塑性有限元方法分析。
由于隧道围岩是一种具有塑性变形特性的力学介质,其工程岩体力学性质主要表现为非线性变形,因此将洞室周围岩体应力应变关系视为理想弹塑性本构模型。
通过建立地铁隧道区间的三维有限元模型,并模拟以下施工过程:
在土层中开挖土方,形成满足设计要求的轮廓与空间,进行必要的初期支护与衬砌。
分析西安市黄土地铁隧洞施工过程中地表沉降变形规律和洞室周边围岩的应力分布。
根据所给资料,西安市南门至南稍门段地铁隧洞开挖方案选取环形开挖留核心土法。
模拟地铁隧道开挖施工过程中地层的应力变形分析,计算出洞室开挖过程中地面的总沉降量、沉降槽曲线特征及影响因素,通过应力分析来判断洞室支护体的稳定性。
技术路线具体如下:
首先,结合西安地铁二号线一期工程南门-南稍门区间的工程地质以及地面建筑的实际状况,对所要分析的地基及地面建筑对象进行三维数学建模,了解地基土性特征,对其进行合理分层。
第二,对模型施加边界约束和上覆载荷。
载荷包括地基、衬砌以及地面建筑的恒载和活载,根据设计资料和设计要求进行分析计算。
第三步,根据地质资料确定地层力学参数。
第四步,对模型进行网格划分,也就是结构的离散化,将分析对象划分为有限个单元体。
根据实际情况,选择合适的单元类型,根据工程的质量要求,设置单元体的大小。
最后,进行有限元计算。
最后绘制出地基不同截面上的变形、地面沉降槽和应力分布图,分析地面变形特征和洞室周边应力分布特征。
计算出地面总沉降量、最大沉降量和最大沉降差,根据应力分布判断洞室衬砌的稳定性;计算围岩中的最大应力及分布规律,判断围岩土体的稳定性。
对衬砌的设计和隧洞施工提出合理化建议。
本课题将紧紧结合南门到南稍门段区间隧道施工过程,将着重讨论以下两种工况地铁隧道施工对地面沉降槽的影响。
1.采用盾构法施工地铁隧道区间,对地面沉降槽的影响规律。
2.采用浅埋暗挖法施工地铁隧道区间,对地面沉降槽的影响。
如果
时间充裕,还将进一步研究分析同一施工方法不同的隧道掘进速率对地面沉降槽的影响。
五、完成论文的条件和拟采用的研究手段(途径)
该论文为应用性论文,完成该论文主要要具备以下条件:
1、硬件条件为土木工程数值仿真中心;
2、软件条件为ABAQUS结构分析商用软件;
3、南门至南稍门段的工程地质资料;
4、具备南门至南稍门段隧道的洞型,施工方案、施工进度资料。
完成该论文拟采用的研究手段:
基于有限元方法及弹塑性力学基本理论,使用计算机对地铁隧道施工过程进行数值模拟计算,得出地层中不同截面上的变形、地面沉降槽和应力分布规律,分析地面变形特征和洞室周边应力分布特征。
计算出地面总沉降量、最大沉降量和最大沉降差,根据应力分布判断洞室衬砌的稳定性;计算围岩中的最大应力及分布规律,判断围岩土体的稳定性。
六、本课题进度安排、各阶段预期达到的目标
1—2周,收集研究所需要的资料学习有限元理论、弹塑性力;
3—4周,学习有限元计算理论撰写开题报告;
第5周,学习ABAQUS软件的使用方法完成开题报告
第6周,学习ABAQUS软件的使用方法熟悉工程概况;
第7周,对隧道和上覆土层进行合理分区进行三维数学建模;
第8周,确定边界条件进行单元网格剖分;
第9周,进行初步的计算分析;
第10周,运用初步计算分析的结果以及边界条件进行正式运
算
第11—12周,研究黄土地区所以到施工对地面沉降槽的影响
规律
第13周,总结计算成果,撰写论文;
14周,完成英文翻译;
15—16周,交指导教师处,由指导教师审核根据审核意见修
改毕业设计
第17周,交指导教师处,由指导教师审核根据审核意见修改
毕业设计
七、指导教师意见
对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计(论文)结果的预测:
指导教师:
年月日
八、所在专业审查意见
负责人:
年月日
说明:
该部分仅作为开题报告的说明与解释,不作为开题报告的内容。
1纸张采用16K或学校发的毕业设计用纸
2所有填写的内容字体大小采用小四号宋体,标题为四号黑体加粗
3保留下划线
4总字数不少于4000字
5在(三本课题在国内外的研究状况及发展趋势)部分后面需要写出主要的参考文献)(参考文献不在总字数4000内),且不少于三篇外文文献。
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