高速铁路大断面黄土隧道施工数值模拟毕业设计.doc

二 * 届 毕 业 设 计高速铁路大断面黄土隧道施工数值模拟学 院：*专 业：*姓 名：*学 号：*指导教师：*完成时间：20*年6月10号二*年六月摘 要 郑州至西安的客运专线为国内首批拟建的高速客运专线，该线位于中国黄土分布的中心地带，全线穿过黄土段的隧道累计里程长达65 km。黄土因其具有特殊的成分和性质而在工程地质中占据特殊的地位，其工程特征表现出与普通岩石隧道相当大的差异，郑州至西安铁路客运专线黄土隧道特征最具典型性,围岩属v级q3新黄土。该线隧道均为双线隧道，开挖面积达174 m2，是目前国内开挖断面最大的黄土隧道。本文总结了大断面黄土隧道的研究现状及存在的主要问题，分析了隧道断面分类、高速铁路隧道的技术特点、黄土隧道工程特性、黄土地基沉降及其加固的理论，并在综合分析当前大断面黄土隧道发展的基础上，依托郑西客运专线凤凰岭黄土隧道工程背景，以解决高速铁路大断面黄土隧道关键施工技术为出发点，应用大型通用有限元软件ansys为计算手段，对湿陷性黄土隧道全断面施工方法和弧形导坑法的安全性进行了对比的分析和研究，得出了一些结论和建议。关键词：大断面，黄土隧道，弧形导坑法，数值模拟 abstractthe first batch domestic proposed high-speed passenger dedicated line is from zhengzhou to xi an. the line is located in the center of loess distribution, and the whole line across the loess section is almost 65 km. because of its special composition and properties, loess occupies a special place in the engineering geology, and the engineering features show considerable difference with ordinary rock tunnel. the line from zhengzhou to xi an features the most typical loess tunnel, and the surrounding rock grade v new q3 loess. this line is based on double line tunnel, and the tunnel excavation area of 174 m2 is the domestic largest loess tunnel excavation section, which is unprecedented in china, and there is no experience for reference to the construction of this tunnel.in this paper, i did some research of the present situation and main problems of the loess tunnel of large section and classification of tunnel cross section, the technical features of high-speed railway tunnel, the engineering properties of loess tunnel, loess foundation settlement and consolidation theory. based on the comprehensive analysis on the basis of the current development in loess tunnel of large section, relying on this loess tunnel engineering background, in order to solve the key construction technology in loess tunnel of large section of high speed railway, using large-scale general finite element software ansys as the calculating method, analyzing and researching the arc heading construction safety performance, i work out some conclusions and suggestions.keywords: large cross section, loess tunnel, numerical simulation, arc pilot tunnel method目 录第一章 绪论11.1 黄土隧道研究的背景及意义11.2 国内外黄土隧道研究现状及存在的问题11.3 本文研究内容与方法5第二章 高速铁路黄土隧道相关特性介绍72.1 隧道断面分类72.2 高速铁路隧道施工特点72.3 黄土工程特性92.4 黄土地基沉降问题描述102.4.1 黄土的湿陷性质102.4.2 黄土的湿陷性评价102.4.3 黄土隧道地基的湿陷性问题112.5 黄土地基加固处理方法122.6 复合地基现有沉降理论与方法12第三章 数值模拟方法简介143.1 有限元的基本思想和优点143.2 有限元数值模拟过程143.3 ansys软件介绍163.4 ansys软件平面弹塑性分析过程173.4.1 计算假定183.4.2 弹塑性分析选项设置183.4.3 单元的生死20第四章 高速铁路大断面黄土隧道施工数值模拟分析224.1 凤凰岭隧道工况224.2 建立模型224.2.1 弧形导坑法234.2.2 全断面开挖244.3 分部开挖254.3.1 弧形导坑法254.3.2 全断面开挖314.4 模拟结果及分析344.4.1 弧形导坑法344.4.2 全断面开挖354.4.3 对比分析35结论37致谢38参考文献39第一章 绪论1.1 黄土隧道研究的背景及意义目前己经开工建设的郑西客运专线，为我国首批拟建高速铁路客运专线，线路东起中原中心城市郑州市，向西经洛阳市、三门峡市、渭南市，西止西北门户西安市，经豫、陕两省，横贯中州大地和关中平原东部，全长484.518 km。郑西客运专线位于中国黄土分布中心地带，沿线黄土分布广泛，约占线路总长90 %左右。黄土一般发育于气候干燥、降雨量少，蒸发量大的干旱半干早地区，由于其特定的生成环境、发生历史、气候条件、物质成分等，因而在沉积过程中形成了其特有的结构形式，表现出独特的物理、化学和力学性质。特别是受水浸蚀后结构迅速破坏而发生显著下沉现象，对建筑工程的安全稳定和正常使用有着巨大的影响。历史上，由于对黄土性质认识不足，采取措施不力而造成工程事故的事件时有发生，迫使工厂停工倒闭者有之，迫使居民搬迁者有之，更有甚者，建筑物在施工过程中即发生严重的变形破坏，导致施工中断。这类事故在我国黄土地区不同程度的存在，给我国国民经济带来重大的损失1.由于黄土结构较为疏松、强度低，加之其特有的湿陷性特征，黄土隧道在施工和运营中，出现了各种各样的问题。具体有:a.施工过程中喷射混凝土突然开裂，格栅严重弯曲变形；b.围岩不能自稳，变形很大，发生塌方；c.隧道发生涌水问题:d.隧道洞身基础发生湿陷；d.衬砌开裂，地表发生裂缝和错台现象。我国黄土地区幅员辽阔，面积达六十多万平方公里，郑西客运专线位于中国黄土分布中心地带，该线隧道穿过黄土段落较长。目前建成运营的黄土隧道多为单线或双线(双车道)隧道，特大断面黄土隧道(例如郑西客运专线上的黄土隧道，隧道开挖跨度达16 m，开挖面积约170 m2)还没有先例，应当采用何种施工方法，缺乏经验与理论指导，需要进一步进行研究。本课题正是依托郑西客运专线大断面黄土隧道工程。综上所述，对大断面黄土隧道进行系统的研究是必要的。随着国家西部大开发政策的推行，在西部广大黄土地区进行基础建设正日益加强。我国的铁路建设也正在进入以客运专线建设为标志的跨越式发展新时期。对于大断面黄土隧道的设计及施工，现行的铁路隧道设计规范显然己不适合，也没有现成的工程可类比。因此对大断面黄土隧道进行深入系统的研究已显得非常迫切，开展大断面黄土隧道的研究工作有着重要的现实意义。1.2 国内外黄土隧道研究现状及存在的问题肥沃的黄土地孕育了中华文明。黄土在我国西北有着广泛的分布，占国土面积约63万平方公里。在黄土修筑窑洞已经有几千年的历史。但是对黄土地下建筑设计计算理论进行系统研究，还是从60年代初开始的。以往在地下洞室设计计算所采用的模型是“荷载一结构”模型，即把作用衬砌上的围岩压力作为外加荷载施加到模型上，只要荷载确定了，就像地面建筑结构一样，利用结构力学理论，进行衬砌的设计计算。所以在地下洞室的设计计算中，围岩压力的确定就成为问题的关键。黄土地下洞室也不例外，黄土洞设计计算理论的研究，主要有四个阶段:(1) 20世纪五六十年代的设计以普氏理论为基础。按照普氏理论设计的陇海线三门峡至撞关段13座双线黄土隧道分别于19591960年建成，至1964发现了不同程度的裂缝。大量工程实践表明:普氏理论对我国黄土洞室不适用。随后引起对黄土洞室围岩压力问题的系统研究。(2)根据时间经验，在60年代初提出以工程地质类比法指导设计，并对黄土按底下洞室稳定性要求作了相应的分类。(3) 70年代提出了以工程地质类比为主，力学计算为辅，必要时用实测的方法指导设计。(4) 90年代至今，随着计算技术的发展，土体应力一应变关系的研究逐渐深入，出现了各种各样的弹塑性应力一应变模型。在这种基础上提出了许多弹塑性的数值方法。这一时期修建的宝中铁路和候月铁路隧道工程积累了丰富的经验。近20年来随着计算技术的迅速发展，土体应力一应变关系的研究逐渐深入，出现了各种各样的弹塑性应力一应变模型。然而由于土体结构的复杂性，不同的应力水平和路径都会影响它的应力一应变关系，要全面反映土体的力学特性往往是相当困难的。一般说来，力学模型越接近所研究的对象，其形式越复杂，描述模型特性的力学参数越多。由于参数测定过程中的偶然误差及参数本身所反映的物理力学特征的随机性，使得参数测定值总在一定范围内波动，因而往往与精确的理论描述不相称。作为理论模型应全面反映客观实体，使人们能更深刻地认识自然，并为改造自然提供依据，作为工程应用，则力求使模型既能抓住所研究对象的最本质东西，又简单实用。一个最好的模型应是既能解决工程问题且又是最简单的模型2。 从60年代对黄土地下洞室的围岩压力开展系统的研究以来，经陕西建研院，西北建筑设计院等单位在甘肃、山西、陕西及河南等省近十个工程点进行了综合性的现场量测，并对这些地区的黄土洞室做了广泛的调查。通过大量的生产实践、现场量测及调查研究，从量和质方面对黄土洞室的围岩压力有了较深入的认识: (1)塌方一般首先发生在拱肩或两侧，然后随着洞形及应力条件恶化向洞顶发展。塌方的主要特征是脆性剪切破坏。(2)现有的黄土洞室埋深大多在20 50 m，这些洞室的衬砌大部分是“薄”衬砌(相对于普氏理论计算出的衬砌厚度)。这些衬砌有些虽然在拱腰内缘出现拉裂缝，但却能保持相对稳定。(3)洞室土体变形不是局限于洞周附近一个小范围内，而是在由洞壁直至地表的一个很大范围内连续变化，逐渐减小，衬砌后在洞周一定范围内没有发现土体变形有突然的、明显的变化。(4)与土体变形相似，作用在衬砌上的围岩压力也没有突然性，它是随着掘进与时间的增长而增长。(5) 双线隧道上的土体破坏一般不能形成所谓普氏压力拱，采用普氏理论设计与实际压力分布不符。(6) 双线隧道上实测的竖向压力分布是两端大、中间小，呈“反拱形”。有不小的侧向压力，且拱圈部分比边墙要大。(7)根据调查统计，土体的破裂角一般为58 63 。李宁，朱运明，谢定义等针对南水北调中线穿黄连接段大断面饱和黄土隧洞的成洞条件问题，应用岩土工程软件对几种可能的方案进行了施工仿真试验研究。研究认为，新奥法施工以调动围岩自身的承载能力，减少支护衬砌的工作荷载为宗旨，其成洞条件应从围岩应力、变形与支护结构的内力强度上同时加以考虑。从而提出:围岩的最大变形不超过洞径的1 %；围岩的应力集中引起的塑性区范围不超过锚杆加固区:锚杆的拉力不超过允许拉拔力:喷层或衬砌的内力满足其强度要求。研究结果表明:新奥法施工方案在该大断面高水头饱和黄土围岩中能够成洞；只需紧跟掌子面喷护，挂网25 cm加系统锚杆形成柔性支护圈即可维持围岩稳定；双洞中心相距2.5倍洞径时应力与变形的相互影响小于5 %；双洞合一的掏槽一次永久衬砌方案也可成洞，且施工技术要求最低，但洞周变形最大(约140 mm) ；双洞合一的预制混凝土超前压桩衬砌方案虽施工工艺复杂，但却能最大限度的限制围岩变形(最大沉降小于10 mm)，在重要建筑物底下穿过时，可能是首选方案3。郭增玉、张朝鹏等研究探讨了宝鸡火车站地下商场工程高湿度q2黄土的非线性流变本构模型和参数。该工程是首次在西北黄土地区推广逆作法施工的地下人防工程，结构与施工设计主要采用工程类比法。逆作法工程的经验表明:采用这种方法的地下结构稳定性和施工工效与施工过程中的时空分配合理性密切相关。在黄土地区已往开挖工程的经验还表明:高湿度q2黄土在施工开挖中具有明显的时效特征。研究指出高湿度q2黄土粘弹性阶段为线性粘弹性体，粘塑性阶段为非线性粘塑性体。在此基础上，建立了高湿度q2黄土的非线性流变本构模型并确定了相应的模型参数4。大量的工程实践表明，无支护黄土硐室一般均不能保持长期稳定。在现有的工程中常用的洞形及高跨比下黄土铜室的塌方首先发生在拱肩或两侧，然后随着洞形及应力条件的恶化向洞顶发展，塌方的主要特征是脆性剪切破坏。一旦作了支护，只要其后工程地质、水文地质条件无异常变化，则通常总能保持稳定。土体变形不是局限于洞周附近的一个小范围内，而是由洞周直至地表的一个很大范围内。在洞周一定范围内没有发现土体变形有突然的、明显的变化，而是由洞周至地表逐渐减少，最大变形发生在拱顶。对于埋深2050 m，跨度610 m的洞室，拱顶最大下沉量约35 cm，地表沉降量很小，土体变形随着掘进和时间的增长而增长，增长速率开始较快，以后逐渐减慢，并趋于稳定，基本稳定时间3 4个月。土体变形和时间关系可用双曲线描述。作为工程应用，当应力小于比例极限时，深层黄土可足够近似地被看作是直线变形体，运用直线变形体理论来研究，当应力超过比例极限时，深层黄土可作为弹塑性体，运用相应的弹塑性理论来研究，塑性条件可采用莫尔库仑准则。进入塑性状态后，其应力一应变关系也可用邓肯一张的双曲模型或其他组合曲线模型1。韩斌、朱庭勇等研究指出，黄土地区修建各种建筑物时，要充分考虑建造区域黄土的湿陷性。研究结论:(1)黄土的湿陷性对地铁框架结构的影响是很明显的，施工过程中，需加强支护，如喷锚支护或超前支护，以有效地控制地面沉降和围岩变形，减少衬砌受拉，并在地铁框架结构受拉区加设承拉钢筋。(2)黄土发生湿陷，水是其中的主要因素，因此在施工过程中要注意地下水和排水管道的渗漏水造成黄土湿陷，做好防排水措施，施工用水和围岩渗水要及时排除。若出现湿陷，则需要采取相应的措施处理湿陷黄土。(3)边墙出现受拉区，在施工过程中，要加强监测5.凌荣华等研究了大跨度深埋黄土隧道在其它条件不变的前提下，隧道开挖时黄土的变形破坏规律和衬砌中内力的分布规律，指出:黄土大跨度深埋隧道在不同开挖方式下的变形破坏规律是存在本质区别的，导致这本质区别的原因在于被开挖体的形状特征、初始与开挖过程中应力场特性、土体的强度特征以及衬砌的力学性质和过程；不同的开挖方式决定了大跨度深埋黄土隧道的衬砌中内力分布规律根本不同，这就可以对开挖方式与衬砌形状进行优化设计，对工程实践具有明确的指导意义。在该研究特定的条件下，分步开挖显然比全断面开挖有利6。长安大学等以现场测试和试验为手段，结合数值仿真分析，对黄土隧道围岩压力及结构受力进行研究。提出了深埋与浅埋黄土隧道的界定标准，推导出了浅埋黄土隧道围岩压力计算公式，给出了初期支护与二次衬砌荷载分担比例。在巉柳高速公路土家湾隧道施工过程中，针对饱和黄土围岩无法掘进施工的难题，按照课题研究成果，对饱和黄土地段围岩进行了加固处治，提出的设计方法和施工工艺，为类似地质条件下的黄土隧道设计与施工提供了成功经验2。 但是，对于通过黄土地区的新建客运专线隧道，其埋深增大了，开挖断面也显著增大了，对断面形式和线路要求也提高了，因此上述的研究是不够的。需要进行更为深入的研究。目前，国内外对高速铁路超大断面黄土隧道设计与施工的研究主要存在以下几个方面的问题:1、由于黄土地层性状复杂，不同地区隧道所处黄土地层其黄土成因及类型、含水量、湿陷等级等各异，相关工程力学指标和工程特性差异较大； 2、国内目前设计、施工和投入运营的黄土隧道多为单线或双线隧道，对于特大断面黄土隧道，国内外尚无类似的工程实例，无论从设计还是施工方面，均缺乏经验与理论指导；3、高速客运专线对隧道质量要求更高，施工应有效控制地面沉降、确保有关交通运营设施安全；隧道内线路要求有高度的平顺性，位于湿陷性黄土等软弱地层中的隧道基底应采用有效加固措施，严格控制工后沉降；4、黄土地区具有地表冲沟发育、黄土边坡陡立等特性，当隧道穿越陡峻的黄土边坡时，会出现岸坡稳定等问题。高速铁路隧道的技术性和黄土湿陷特性决定了修筑高速铁路隧道的技术难点。具体可以说有以下几点：a.确定合理的隧道结构及断面尺寸解决空气动力学带来的不良现象；b.选取合理的支护参数和施工方法确保大断面黄土隧道的施工安全；c.采用适当的地基加固措施控制地基工后沉降，以达到线路平顺要求；d.制定适当的衬砌参数，保证高速铁路运营期间的安全性和耐久性；e.合理地选择施工中的防排水处理措施以消除黄土湿陷特性影响。 综上所述，郑西客运专线黄土隧道设计与施工地质条件复杂、修建难度大，如何采取合理有效的工程措施、高标准的进行黄土隧道设计和施工，确保郑西客运专线建成后顺利运营，对隧道设计和施工提出了新的课题，而郑西客运专线超大断面黄土隧道的设计也将是国内外类似隧道工程修建技术的一个新台阶。1.3 本文研究内容与方法本文总结了大断面黄土隧道的研究现状及存在的主要问题，分析了隧道断面分类、高速铁路隧道施工特点、黄土隧道工程特性、黄土地基沉降及其加固的理论。核心部分针对高速铁路隧道的技术特点、黄土的工程特性及大断面黄土隧道修筑中存在的关键技术问题，以数值分析作为研究手段，应用大型通用有限元软件ansys为计算手段，将弧形导坑法与全断面开挖法进行了比选，并对衬砌结构的安全性进行了评价。数值分析流程：通过大量的资料调研工作，明确研究的思路与研究目的，确定研究的关键问题，选择正确适用的计算理论和方法。对于计算参数的确定，一般采用设计单位地勘部门提供的资料，若没提供，查找类似工程的物理力学参数，或者参考现行规范。运用大型通用软件ansys有限元程序进行荷载一结构模式计算的。分析计算结果，对比己有工程的量测数据及规范规定量值，对结果的合理性、可靠性进行判定:若合理，则通过分析，提出研究结论；若不合理，则需要重新对计算参数进行修正与优化，并重新计算。有限元分析流程如图1-1.资料调研计算方法选择计算工况组合计算参数确定计算过程实施 no 计算结果分析 yes结论 图1-1 研究流程图第二章 高速铁路黄土隧道相关特性介绍2.1 隧道断面分类目前如何区分大断面隧道与小断面隧道存在着不同的标准。日本的划分标准和国际隧道协会的划分标准都是以净空断面积划分的，分别见表2-1和表2-2。按照日本标准和国际隧道协会标准，郑西客专隧道的净空断面为100 m2，属于大断面隧道。表2-1 日本隧道断面划分标准划分净空断面积/m2说明标准断面7080双车道大断面80140有人行道的双车道隧道超大断面140与路面宽相同的三车道表2-2 国际隧道协会隧道断面划分标准划分净空断面积/m2超小断面3小断面310中等断面1050大断面1002.2 高速铁路隧道施工特点客运专线铁路以其运行速度高、线路平顺性要求高、安全舒适、节约时间等特点，比其他交通工具有更多的优越性。客运专线的隧道工程具有占地少、环境污染小、结构安全可靠、拆迁量和对城市干扰小等优点，从技术上有以下几个主要特点。(1)空气动力学效应列车在高速运行的条件下，对隧道结构的要求主要是空气动力学特性方面的。高速列车通过隧道时会产生一系列的空气动力学效应，如压力波动、出口处微气压波、洞内行车阻力增大等，这些均是列车速度目标值比较高的客运专线隧道的显著特点。空气动力学效应会带来诸如乘客不适，进出口环境噪音，隧道维护人员不安全等一系列问题。因此，在客运专线铁路隧道设计时，应从车辆和隧道两个方面采取措施，以减缓空气动力学效应。从隧道方面来说，就是采用单洞双线大断面隧道。(2)结构可靠性和耐久性要求高所谓可靠性，是指结构在规定的时间内，在正常规定的条件下，完成预定功能的能力，包括安全性、适用性和耐久性。当以概率来度量时，成为结构的可靠度。所谓结构耐久性，是指结构及其部件在可能引起材料性能劣化的各种作用下能够长期维持其应有性能的能力。客运专线隧道由于其运营速度比较高，对结构和各种运营设施所产生的作用影响也就越大，对相应工程结构的可靠性和耐久性的要求也就越高。例如，客运专线隧道内对衬砌混凝土的裂缝要求就特别严格，因为客运专线隧道内空气压力在不断的变化，特别是洞内会车情况下，压力的波动对结构的表层稳定是不利的。欧洲及日本的研究成果表明:同样的一条裂纹，对普速铁路隧道来说在外荷载停止发展后，将不再继续变化，而客运专线隧道就不同了，即使外荷载停止了发展，但在频繁变化的洞内空气压力波的作用下，裂缝还将继续发展，从而降低隧道衬砌耐久性和使用功能，甚至危及行车安全。因此，在客运专线隧道设计中，要采取有效措施减少隧道衬砌裂缝。(3)对线路平顺性要求高线路的平顺直接影响到行车安全和旅客的舒适度，而时速200 km/h以上的客专对线路平顺性要求更高，这就涉及到高速铁路修建的工后沉降控制问题。国外高速铁路提倡高速铁路工后沉降为零的理念。以下为德国工后沉降控制标准。其出发点是:一旦在运营过程中发生沉降，应限制在结构调整允许的范围内，或者在舒适度允许范围内，通过增设竖曲线半径进行调整。工后沉降不应超过扣件调节量-5 mm，最大调节量取决于钢轨扣件的类型，5 mm是为运营期间列车荷载引起的沉降变形预留的。长度20 m或以上的均匀沉降地段，允许沉降量可增加到上述规定值的2倍。对于路堤高度大于10 m及位于两桥间距离大于5000 m的路基，若最大工后沉降小于6 cm且满足调整后的轨道竖曲线半径ra0.4ve2，即在350 km/h速度条件下，10 m范围内沉降差不超过2 mm，不影响无碴轨道高速运营；运营后沉降速率不大于2 mm/年。我国客运专线在结合国情，吸收试验段经验及参考国外现有标准的情况下，提出客运专线工后沉降控制标准:15 mm。 (4)防灾救援要求高 隧道中运行的主要是高速度的旅客列车，一旦发生事故和灾害，后果比一般铁路要严重的多。如何尽量避免高速度的旅客列车在隧道内发生事故和灾害，以及旅客列车在隧道内因故停车时，如何快速疏散乘客，发生灾害事故时如何快速救援等，是客运专线隧道应该重点考虑的问题，相对普速客货共线的铁路隧道来讲，客运专线隧道对防止发生事故和灾害以及快速救援的要求更高。(5)对环境的影响更加明显 对环境的影响更加明显环境包括自然环境、生态环境和周边人文环境，客运专线列车以较高的速度运行，其产生的轮轨噪声、机械噪声、弓网噪声和空气动力学等噪声将比普速列车明显，对环境的影响也比普速列车大。例如，列车进入隧道后，形成压缩波，当压缩波传到隧道出口突然释放形成微气压波时，会对洞口的环境造成一定的影响，严重时会产生爆破音，影响附近的建筑物和居民的正常生活。所以客运专线隧道的修建就应该更加重视对环境的影响，围绕降低噪声、减少对自然环境、生态环境和周边人文环境的破坏，采取不同于普速铁路隧道的工程措施。2.3 黄土工程特性黄土是一种在特定地理环境条件下第四纪以来沉积和成壤的地质体，为构成中国西北黄土高原的主体。我国黄土分布面积达到60余万平方公里，分布连续、地层齐全、厚度大为其主要特点。五十年代人们将具有以下特征的土定义为典型黄土，这些特征是:棕黄或者浅黄；具有孔隙，孔隙度达4050 %，有柱状节理；碳酸钙含量1020 %，或有钙质结核；地质均一，以粉粒为主，约占6070 % ；不含大于0.25 mm的颗粒；无层理；具垂直节理，天然情况下可保持直立边坡；天然含水量小，遇水易剥落侵蚀。随着对第四纪以来地层及工程性质研究的深入和工程实践的丰富，地质界和工程界现在普遍认为黄土是早更新世以来在干旱和半干旱这个特定地区沉积并成壤的物质。黄土是一种具有独特工程性质的特殊性土。黄土的特殊性除了表现在它的地质特征，微观结构特征以及其它物理性质以外，从岩土工程意义来说，黄土的特殊性质最主要的是它的力学性质特别是强度和湿陷特性。黄土的强度特性和变形特性主要表现为黄土的结构性、欠压密性和湿陷性。由于特定的地质环境和物质组成，黄土在沉积过程中形成的结构状态决定着结构本身在新的条件下的变化倾向。可以这样认为，黄土的结构性是黄土工程性质的本质。黄土的结构性表现为具有一定的结构强度，即具有保持土原始基本单元结构形式不被破坏的能力。这种能力是由土的原始结构强度和土粒间固化连接键强度组成的。黄土的结构性是导致黄土欠压密性的原因。黄土的结构强度一旦遭到破坏，如浸水、扰动等，黄土的力学性质就会发生显著变化，处于欠压密状态的黄土在浸水后将产生显著的附加变形即湿陷变形，形成了黄土的湿陷性。因此可以认为黄土的结构性和欠压密性是黄土具有湿陷性的基本内因。2.4 黄土地基沉降问题描述2.4.1 黄土的湿陷性质黄土的湿陷性是指黄土在一定压力作用下，受水浸湿后，土的结构遭到破坏而发生显著下沉现象的性质。一般地，把形成于下更新世(q1)的午城黄土和形成于中更新世(q2)的离石黄土统称为老黄土。覆盖在上述黄土及河谷阶地之上的为晚更新世(q3)马兰黄土及全新世早期(q41)黄土称为新黄土。在全新世上部，部分地段还有新近堆积黄土存在，称为q24黄土。研究资料表明，绝大部分q3、q4黄土具有湿陷性特征，部分q2黄土具有湿陷性。一、湿陷性黄土基本物理性质1.颗粒组成:一般颗粒粒径小于0. 005 mm,颗粒含量以粉粒居多，占5274 %，砂粒含量占1129 %，粘粒含量占826 %2.孔隙比:变化在0. 851. 24之间，大多数在1. 01. 1之间。孔隙比是影响黄土湿陷性的主要指标之一。3.天然含水量:黄土的天然含水量与湿陷性关系密切。当含水量大于一定比例时，黄土就不具备湿陷性。当然，这与各地区的黄土分布有关。4.饱和度:饱和度sr愈小，土的湿陷系数愈大。 5.液限:是决定黄土性质的另一个重要指标，当液限在30%以上时，黄土的湿陷较弱且多为自重湿陷性黄土。二、湿陷性黄土力学性质1.压缩性:压缩系数介于0. 11. 0 mpa-1之间。q2和q3早期黄土，多为中等偏低压缩性；q3晚期和q4黄土多为中等偏高压缩性。新近堆积黄土一般为高压缩性，且其峰值往往在不到200 kpa时出现，压缩系数最大值达到1. 0一2. 0 mpa-1。2.抗剪切强度(1)当黄土的含水量低于塑限时，水分的变化对强度的影响最大，但当含水量大于塑限时，含水量对抗剪强度的影响减小，而超过饱和含水量时，抗剪强度的变化不大。(2)若土的含水量相同，则土的干重度越大，抗剪强度越高。(3)浸水过程时，黄土的湿陷处于发展过程中，此时抗剪强度降低最多。2.4.2 黄土的湿陷性评价湿陷性评价包括湿陷性判定及场地湿陷等级两个方面。一、湿陷性判定在一定压力下的室内压缩试验测定的湿陷系数s:应按下式计算: (2-1)式中：hp保持天然湿度和结构的土试样，在一定加压压力下稳定后的高度；hp上述加压稳定后的土试样，在浸水作用下下沉稳定后的高度；h0土试样的原始高度。评价湿陷的标准为:(1)当s7cm时，应定为自重湿陷性黄土场地。自重湿陷量zs应按下式计算:(2-2)式中：第1层土在上覆土的饱和自重压力下的自重湿陷系数，按下式计算：(2-3) hz保持天然湿度和结构的土样，加压至土的饱和自重压力时，下沉稳定后的高度； hz上述加压稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的高度； hi第i层土的厚度(cm) ； 0因土质地区而异的修正系数，可查表。2.4.3 黄土隧道地基的湿陷性问题新建郑西客专隧道穿越第四纪各期黄土地层，其洞口段及桥隧相连段多位于具湿陷特征的q3、q4黄土地层中，需要进行地基加固处理，以避免产生过大的地基沉降变形。现场实测得到的各隧道部分物理指标见表2-3.表2-3，物理参数表隧道名黄土类型含水量孔隙比饱和度液限湿陷系数秦东q3eo1313.50.850.626.750.158q2eo13+e1317.50.7168.326.550.005潼洛川q3eo139.50.9228.226.550.237q2eo13+e1311.40.7942.726.90.021q1eo13+e1315.80.696728.210.002高桥q3eo1310.30.783826.340.017q2eo138.60.6841.427.830.016凤凰岭q3eo1310.60.7637.826.870.045q2eo1313.40.7452.327由表2-3可以看出，无论新、老黄土，各隧道所处地层的湿陷性系数均有大于0.015的情况，为了施工及运营的安全，必须进行基底加固处理，严格控制沉降，使之符合高速客专安全标准。2.5 黄土地基加固处理方法 针对不同的地基类型可采用不同的地基处理方法，例如岩石地基可采用褥垫法、灌浆法，砂土地基可采用振动法、振冲法、强夯法，等等。目前在黄土地区工程实践中广泛采用的地基处理措施有换填垫层法、强夯法、挤密桩法、堆载预压法等等，而目前最为流行的是挤密桩法、碎石桩、cfg桩等复合地基处理的方法。复合地基的加固效果虽不及混凝土灌注桩，但性价比高，也能满足工程的要求。从目前的工程实践来看，复合地基的处理效果是令人满意的。因此，在综合比选各种加固措施后，郑西客专黄土隧道大部分采用水泥土挤密桩对基底进行加固处理，以便减小孔隙率，提高密实度，消除新老黄土的湿陷性。2.6 复合地基现有沉降理论与方法尽管复合地基大量使用于工业与民用建筑基础、交通路基工程等领域，但长期以来，复合地基沉降计算理论还不够成熟，至今仍无明确的规范可用，基本上是参考建筑地基基础设计规范及一些推荐方法。总结起来，目前各种各样的沉降计算方法可归纳为以下几个大类:(1)分层总和法这种方法原理比较简单，计算方便，现有的各种各样的分析方法均是以分层总和为基础。在各类实用计算方法中，通常把复合地基沉降量分为两部分，如图2-5所示，h为复合地基加固区厚度，z为荷载作用下地基压缩层的厚度。复合地基加固区的压缩为s,，地基压缩层厚度内加固区下卧层厚度为z-h，其压缩量为s2。于是，在荷载的作用下复合地基的总沉降量s可表示为两部分之和，即s=s1十s2。至今所提出的复合地基沉降实用计算方法中，对下卧层压缩量s2，大都采用分层总和法计算，例如假定一个扩散角，便可按早期的分层总和法进行计算；而对加固区范围内土层的压缩量s1，可采用一种或几种计算方法计算，这些方法有复合模量法、es法、应力扩散法、等效实体法等等，限于篇幅，此处不再一一详列。图2-5 复合地基沉降示意图分层总和法的一个非常重要概念是采用附加应力来计算竖向沉降，本文将在下面的章节讨论分层总和法对隧道地基加固的适用性。(2)弹性理论解析解。此类方法以作用在无限半空间的集中荷载引起竖向沉降的boussinesq解析解为基础，或以mindlin解析解为基础，可得到各类己知分布荷载作用下沉降解析解。但是由于受到其理论本身的限制，如线弹性、均质等前提条件，使得其计算在实践推广中遇到很大的困难。(3)数值分析解。数值分析法以有限单元法、有限差分法为基础，可考虑不同的地层条件、边界条件，还可考虑施工造成的力学变化过程、土体的粘性与蠕变特性，因而得到了广泛的应用。本文采取的主要分析方法即为数值分析法。第三章 数值模拟方法简介3.1 有限元的基本思想和优点有限元法是适应电子计算机的使用而发展起来的一种比较新颖和有效的数值计算方法。这种方法大约起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析。1960年飞机结构工程师clough在他的论文中第一个采用有限元(finite element method )这一术语，并用有限元的思想求解了平面弹性问题。目前，有限元发已成为工程设计中不可或缺的一种重要方法。1、有限元法的基本思想:(1)假想把连续系统(包括杆系，连续体，连续介质)分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的指定点(称为节点)处相互连接，构成一个单元集合体来代替原来的连续系统。在节点上引进等效载荷(或边界条件)，代替实际作用于系统上的外载荷(或边界条件)。(2)对每个单元由于分块近似的思想，按一定的规则(由力学关系或选择一个简单函数)建立求解未知量与节点相互作用(力)之间的关系(力一位移等)。(3)把所有单元的这种特性关系按一定的条件(变形协调条件)集合起来，引入边界条件，构成一组以节点变量(位移)为未知量的代数方程组，求解之就得到有限个节点处的待求变量。所以，有限元法实质上是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。2、有限元法的优点(1)概念浅显，容易掌握，可以在不同的水平上建立起对该法的理解:可以通过非常直观的物理概念来理解，也可以建立给予严格的数学分析的理论。(2)实用性强，应用广泛，几乎适用于求解所有的连续介质和场问题。(3)采用矩阵形式表达，便于程序的编制，可以充分利用高速计算机所提供的方便。3.2 有限元数值模拟过程 (1)结构的离散化。应用有限元分析得第一步就是要将结构离散化。其过程就是用一些假想的线或者面进行切割，使其成为具有选定切割形状的有限个单元体。这些单元体被认为仅仅在单元的集合体来代替原来分析得结构，并在单元体得指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性。结构离散时，划分的单元的大小和数目应根据计算精度的要求和计算机的容量来决定。 (2)确定单元的位移模式。首先必须对该单元的任意一点的位移分布做出假设用有限自由度的简单位移来代替真实位移，即假定位移是坐标的某种简单的函数，通常采用多项式作为位移函数（位移模式），位移模式的合理与否，影响到有限元分析得精度、效率和可靠性。不管哪类位移单元，采用矩阵符号并建立相关的矩阵方程，单元中任意一点的位移矩阵d，均可用该单元节点位移排列成的矩阵，又称单元节点位移矩阵，表示为。 (3-1)式中，n形函数矩阵。 (3)单元特性分析。 利用应变和位移之间的关系即几何方程，将得出单元任一点应变与单元节点位移的关系： (3-2)式中，b变形矩阵。 利用应力和应变之间的关系即物理方程，推导出应力的表达式： (3-3)式中d单元材料弹性常数所确定的弹性矩阵，s应力矩阵。 利用虚位移原理，建立单元刚度矩阵： (3-4)式中单元节点力矩阵，单元等效荷载矩阵，单元刚度矩阵。 建立平衡方程组。集合所有的单元的平衡方程，建立整体结构的平衡方程。先将每个的单元刚度矩阵合成整体刚度矩阵，再将各单元的等效节点力集合成总的荷载阵列总刚度矩阵。 (3-5) 由总刚度矩阵形成的整体结构平衡方程： (3-6)引入结构边界条件，对方程组进行求解，得出节点位移，进而求个单元的内力和变形。3.3 ansys软件介绍ansys是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ansys软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。到80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：ansys, nastran, aska, adina, sap等。以ansys为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从1971年的2.0版本与今天的13.1版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。ansys软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ansys参数设计语言扩展宏命令功能。ansys的主要技术特点是唯一能实现多场及多场耦合分析的软件, 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型fea软件，唯一具有多物理场优化功能的fea软件, 唯一具有中文界面的大型通用有限元软件, 强大的非线性分析功能 , 多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置，支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一，数据文件全部兼容，强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行，多种自动网格划分技术, 良好的用户开发环境。 该软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 ansys作为功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其功能特点主要表现在以下几方面：数据统一、强大的求解功能、强大的非线性分析功能、多种网格划分方式、独特的优化功能、多场耦合功能、友好的程序接口以及良好的用户开发环境。 ansys的基本分析步骤如下： (1)建模：针对不同的问题，可进行实体建模，也可采用模拟建模，建模的原则是简单、高效、且能反映实际问题的特征。 (2)