岩体水力学

岩体水力学读书报告—隧道衬砌外水应力的理论与数值计算分析学院：环境与土木工程学院班级：2014级地质工程1班任课老师：许模姓名：瞿生军学号：2014020235日期：2015.9.18隧道衬砌外水应力的理论与数值计算分析摘要:随着高水位隧道及海底隧道的增多，隧道衬砌外水压力的计算是一个亟待解决的问题。本文采用理论分析方法，推导了高水位隧道衬砌外水压力的理论解析解公式，在理论解的基础上，采用数值分析方法，对理论解的合理性进行验证。通过本文的研究，对高水位隧道衬砌外水压力的计算，提供一种简洁可靠的方法。关键词:隧道；地下水；渗流；外水压力在隧道及地下工程中[1-4]，衬砌外水压力指的是由于地下水作用而施加在衬砌结构外边缘的水荷载。当隧道处于地下水的包围中时，衬砌结构既要承受围岩的压力，同时也承受较高的水压力。作用在衬砌结构上的围岩压力能够被地层作用降低，但是动水压力是否降低并无定论。可以说，水下隧道中水压力的设计值大小往往是决定衬砌结构强度的关键。目前，地下工程界对隧道衬砌结构的外水压力一般是用P=rh对其进行大致估算，工程实践表明，用上式估算的外水压力往往与实际情况相差较大，因此，确作用在衬砌上的外水荷载显得越来越重要。本文中，首先使用理论解析法推导出高水位隧道衬砌结构外水压力的理论公式，并用数值模拟法对其合理性进行验证，并比较、归纳二者的差异。1.地下水对隧道外水压力的理论分析1.1边界条件边界条件假设为地表水位恒定，地下水渗流可以达到稳定状态。如图1所示，地下水的水头h(x,y)连续、且做以下两点假设:（1）在地表面处，即y=0时，水头为水深Hw;（2）在隧道的圆周处，水头h=ht（为常量）考虑动水渗流影响要求htHw。图1中Hw0，讨论的公式适用于水底隧道。1.2理论公式设地下水稳态流动，取地表为水头基准，c为隧道中心埋深，ht为隧道边界的水头（常量），Hw为地表的水头（常量），K为地层的渗透系数（各向同性），则基本微分方程和边界条件为求解得出水头公式如下围岩中隧道结构外水压力如果隧道处于潜水位很高的地层（高位潜水层，如图2），地层渗透性良好，地下水的补给能力远大于隧道的排水能力，此时Hw和Ht均为负值，公式仍然适用。图1地下水浸入圆形隧道图2高水位渗流图2.数值计算分析2.1模型的建立数值模型如图3所示，坐标原点在地表面的中心，x轴水平向右，y轴水平向下;隧道半径为3m。图3数值计算模型2.2参数选取（1）力学模型参数。体积模量67MPa，剪切模量40MPa，土密度2000kg/m3。（2）流体模型参数。渗透系数10-6m/s,孔隙率0.2，流体模量2000MPa，流体密度2000kg/m3。数值解与解析解对比的时候，基于对称原则，选取了隧道右侧的5个方向进行对比（见图4），每个方向上对比点的位置是隧道结构外边缘5m，计算时，假设水位面与隧道水头差为5m，其中工况一的水位面在地上20m处，工况二的水位面在地下3m处。图4数值计算对比的5个方向2.3水位面在地面以上的数值解与解析解比较当水位面在地面以上时，数值计算的初始条件为:岩体内的孔隙水压强在水位面以下按rh线性分布，其中r为水的重度，h为隧道围岩内压强计算位置到水位面的距离；隧道衬砌结构周围的总水头Ht固定。水头差为与理论解析解一样取为5m，Hw为20m。边界条件为:模型的四个边界设置为孔隙水压力固定。数值解与解析解对比如图5所示，其中“距离”指的是在同一对比方向上，对比的节点位置到隧道外侧边缘的距离；“相对差值”指的是以数值解结果为基准，将数值解与解析解的差值与数值解相比后得到的值，其单位是百分比。数值解与解析解相对差值的表示曲线如图6所示。从图6中可以看出:数值解与解析解的相对差值很小，计算结果十分接近；在距离隧道边缘较远的地方，数值解与解析解的相对差值趋向于一个定值，不再随着距离的增大而显著变化。图5水头差5m时的渗流场图6数值解与解析解差值的百分比曲线2.4水位面在地面以下的数值解与解析解比较水位面在地下时，数值计算的边界条件与水头在地面以上的边界条件相同；初始条件略有不同，Hw不再是+20m，而是变成了-3m.水头差仍然是5。计算结果见图7。数值解与解析解相对差值的表示曲线如图8.从图8中可以看出:相同条件下，工况二的相对差值比工况一大。在距离隧道无限远处，数值解无限接近于解析解。图7等水头工况二水头差5m时的渗流场图8数值解与解析解差值的百分比曲线3.结论本文针对高水位隧道衬砌结构外水压力计算这一课题，采用理论分析、数值模拟等方法，取得了如下主要研究成果:（1）使用理论解析法，得出隧道在等水头边界及均质围岩条件下，隧道衬砌周围及围岩中的水头值h(x,y)、水压值P的解析解表达式。（2）使用数值模拟法，对理论解析解在不同工况下进行了验证!通过比较解析解与数值解发现:理论与数值解结果很相近；距离隧道边缘越近的地方，数值解与解析解越接近；在距离隧道边缘较远处，数值解与理论解析解的相对差值趋向于一个定值。参考文献：[1]项彦勇.地下水渗流理论[M].北京:科学出版社，2011[2]何川，谢红强.多场耦合分析在隧道工程中的应用[M].成都:西南交通大学出版社，2007[3]李燕，杨林德.岩体渗流应力耦合作用研究综述[J].红水河，2005,24(3):90-93.[4]周维垣，杨强.岩石力学数值计算方法[M].北京:中国电力出版社，2005.