关键词:
弹性半无限体
复变函数
解析解
围岩应力
衬砌应力
海底隧道
摘要:
随着城市规模不断扩张,人们对跨海交通的需求日益增加,特别在沿海地区跨江跨海隧道已经成为联系不同区域的主要交通枢纽,水下隧道对促进区域协调发展发挥了重要作用。这些水下隧道处在水源丰富的环境中,在覆土厚度较小区段,隧道开挖、渗流水压力和覆盖层厚度的变化都会对围岩应力分布造成影响,此外高水压力对支护结构的作用也不容忽略。为了方便得到围岩与支护结构在复杂荷载作用下的应力分布情况,指导隧道设计与安全施工,本文采用弹性复变函数理论对浅埋海底隧道围岩和衬砌应力分析中复势函数求解方法进行了研究。论文主要研究工作如下:
(1)基于复变函数理论,将弹性力学问题中双调和方程、应力分量、位移分量、应力边界条件、位移边界条件等基本公式转化为复变函数的表达形式。给出无限域和多连通域中复势函数的一般表达式以及直角坐标系与正交坐标系之间应力分量转换关系式。利用复变函数理论中保角变换这一重要工具将物理平面复杂边界映射为像平面规则边界。
(2)利用弹性复变函数理论将浅埋海底隧道简化为半无限平面问题,考虑围岩自重和海水压力的影响,对隧道开挖后的围岩应力分布进行研究。采用分式映射函数将围岩域映射为像平面圆环域,在圆环域内将复势单值解析函数展开为洛朗级数。利用无穷远点应力有界性对洛朗级数幂次项进行确定,根据地表边界和孔口不均匀应力边界条件得到洛朗级数系数迭代表达式,将已确定的洛朗级数条件代入迭代表达式中得出复势函数显式解,从而实现复势函数系数从低次幂迭代至高次幂。本文得到的显式解能方便求解复势函数,容易实现编程计算,可应用于小型仪器设备中。
(3)根据本文提出的复势函数显式求解方法得到了浅埋隧道在自重应力和海水压力共同影响下的围岩应力理论解。将本文理论解与其他学者的求解方法和有限元结果进行对比,验证本文求解方法的正确性与可靠性。根据复势函数显式解,分析了当两个解析函数在展开不同项数时对最终理论结果的影响,得出解析函数至少要展开负1至正1项才能保证解析结果正确性这一结论。
(4)采用复变函数方法将衬砌结构映射为单位圆环,将不规则应力边界条件用级数表示,对衬砌应力边界条件进行求解得到复势函数系数表达式,得到了在荷载-结构模式下海底隧道衬砌受不均匀荷载时的结构应力解析解。将均布荷载和非均布荷载的求解结果与极坐标解析解和有限元结果进行对比,验证了本文解析解的准确性和可靠性。
(5)以深圳市妈湾跨海通道为例,应用本文得出的理论方法,分析了未来妈湾隧道上部航道开挖和海水深度变化对围岩应力和衬砌应力的影响。在隧道设计和施工阶段要充分考虑未来周围环境变动造成的围岩与支护结构应力分布和应力大小的改变,本文理论分析结果对妈湾隧道建设具有一定指导意义。