黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力研究

为研究黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力,引入黄土的结构性参数对芬纳公式进行修正,基于围岩与衬砌间的相互作用关系求解了围岩塑性区半径表达式,给出了黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力的计算公式。并以某黄土深埋大直径盾构隧道为例,分析了应力比结构性参数对围岩压力的影响,并将三维有限元数值计算与理论分析结果进行了对比。结果表明,围岩塑性区半径和作用在管片结构上的围岩压力随着应力比结构性参数减小在不断增大;盾构掘进后围岩压力的最大值与黄土结构性参数为1时的围岩压力理论计算值比较吻合,盾构施工扰动会导致黄土结构性减弱。最后给出了黄土盾构隧道施工与管片设计的建议。     

深埋黄土盾构隧道围岩压力解析

随着盾构隧道工程的发展,越来越多的深埋黄土盾构隧道逐步出现。对其围岩压力进行准确计算对衬砌设计及服役期的安全评价具有重要意义。围绕深埋黄土盾构隧道围岩压力的计算,考虑盾构隧道衬砌与围岩的径向变形连续条件,基于芬纳公式,推导了盾构隧道衬砌内力、围岩应力及围岩变形的解析解;引入黄土结构性参数,给出了适用黄土盾构隧道的围岩压力解析解;结合隧道开挖后围岩的广义剪应变,构建了黄土隧道围岩结构性参数的求解方法;结合黄土结构性参数,讨论了围岩增湿对黄土结构性参数及围岩压力的影响。研究发现:广义剪应变在塑性区内沿径向增大,在弹性区内逐渐减小,2倍塑性区半径外基本稳定;围岩的黄土结构性参数在塑性区内可认为均匀分布;围岩含水率由2%增加至20%时,塑性区的扩大幅度约为33%,围岩压力的增幅约为10%。研究成果以期对深埋黄土盾构隧道的围岩压力计算提供思路。     

基于改进双剪统一强度理论的围岩松动圈分析

为了研究岩石应变软化、剪胀性质、中间主应力和拉压不等特性对围岩松动圈的影响,基于改进双剪统一强度理论,得到了隧道围岩松动圈半径、围岩应力及洞壁位移的解析表达式。通过与已有方法计算结果的对比,验证了该方法的可行性,并进一步分析了中间主应力大小以及软化程度对结果的影响。研究结果表明:(1)随着软化模量的降低,隧道围岩塑性区、松动区(圈)半径以及洞壁位移均逐渐减小;(2)中间主应力大小对隧道围岩弹塑性行为具有一定的影响,随着中间主应力系数b的增大,围岩的切向应力在塑性软化区、破碎区内变大,而在弹性区内减小,围岩的径向应力在3个区域内均增大;(3)隧道洞壁位移随着中间主应力系数b的增大而减小;(4)考虑中间主应力的影响以及围岩软化的程度,能够充分发挥围岩的强度潜能,合理指导隧道布置、支护设计与施工。该结果为隧道围岩松动破裂分析提供了理论依据,具有一定的工程参考价值。     

原状黄土的结构性强度特性及其在黄土隧道围岩压力分析中的应用

依据原状黄土的应力应变变化规律及其抗剪强度随结构性参数的变化规律,揭示了黄土结构性与强度之间的内在联系,表明结构性是黄土强度的控制因素,结构性参数比与黄土的强度比符合简单的正比关系,即结构性越强,土的强度也越高。黏聚力随结构性参数的变化呈双曲线形态,而内摩擦角基本不变。当土的结构完全破损时,黏聚力趋于0,与饱和正常固结土相似。并将抗剪强度随结构性变化的关系引入了黄土隧道力学特性的分析中,指出黄土隧道在开挖和支护过程中,对围岩结构性破坏越大,围岩稳定所需的支护力或塑性区的范围将越大。     

基于Hoek-Brown准则下的富水透水隧洞非线性解析

将具有衬砌的圆形隧道各影响因素简化为轴对称问题。以渗透体积力的方式作用在应力场,基于Hoek-Brown强度准则,推导出塑性区应力场和塑性区半径的解析表达式。实例分析表明,随内外水头差的逐渐增大,渗流场和应力重分布对应力场的影响作用将显著增大,且对切向应力的影响程度要比径向应力的大,洞周压应力和塑性半径逐渐减小。随着m的增大,应力和塑性区半径均随之增加,塑性区半径与参数m为非线性递增关系。算例对比分析表明:考虑应力重分布和渗流时其塑性区半径较不考虑二者时大。     

基于黄土联合强度的黄土隧道围岩应力及位移研究

隧道围岩应力及位移计算问题是隧道工程界中传统研究课题之一,但黄土抗拉强度在黄土隧道围岩应力及位移计算中存在的影响需要进行合理性评价。基于建立的可综合考虑黄土抗拉和抗剪特性的联合强度,开展了极限应力平衡分析,重新推导了强度破坏曲线的主应力表达式;然后重新确定了轴对称圆形隧道条件下黄土围岩塑性区半径;最后得到了隧道周边黄土围岩位移表达式。研究结果表明:在围岩塑性区应力计算与比较中,基于联合强度确定的围岩塑性区应力小于基于传统的Mohr-Coulomb理论确定的围岩塑性区应力,而塑性区半径和隧道周边围岩位移相对较大;基于拉强度建立的联合强度理论克服了Mohr-Coulomb理论高估黄土抗拉强度的缺陷,可以合理评价黄土隧道围岩应力及位移。     

非对称应力作用下直墙马蹄形隧道塑性区研究

基于已有的圆形洞口围岩塑性区解答,通过旋转极坐标轴角度,由复变函数保角映射方法,得到了非对称应力作用下直墙马蹄形隧道围岩塑性区半径解析公式,并结合算例进行了分析,通过塑性区半径分布图验证了该方法的有效性。     

关于圆形隧道卡斯特纳公式的讨论

隧道围岩的应力及变形是隧道力学中的基本问题,它直接影响到隧道的安全评价及施工支护措施。20世纪50年代提出的卡斯特纳公式,描述了圆形隧道的塑性区半径和塑性区的应力分布规律,公式已成为隧道力学分析的理论基础。以满足莫尔-库伦准则或Mises准则的理想弹塑性材料为例,按照塑性力学加卸载准则,证明了圆形隧道的开挖过程是加载过程,支护过程是卸载过程;对圆形隧道开挖和支护过程进行了弹塑性FLAC有限差分数值计算,同时针对外压和地应力均为0、内压值为支护应力的隧道进行弹性分析。结果表明,围岩的应力分布在开挖后与卡氏公式相符,但在支护后则与卡氏公式不符。弹塑性分析中,支护引起的围岩应力增量及位移增量分别与弹性分析中的应力和位移相同。因此在涉及塑性变形的隧道力学分析中,卡氏公式只适用于开挖阶段,不适用于支护阶段。     

考虑围岩结构特性的黄土开挖隧道稳定性分析

依托油坊沟黄土隧道工程,对其围岩黄土进行了土工试验,建立了黄土结构性参数与围压、含水率、变形之间的函数关系,并提出了结构性参数与强度参数间的数学模型。最后通过有限差分软件FLAC3D将结构性参数引入到黄土隧道分析中,揭示了围岩结构对黄土隧道开挖稳定性的影响机理。研究表明:(1)结构性参数与黏聚力呈双曲线关系,但摩擦角对其影响较小;(2)考虑黄土结构变化时隧道开挖变形值与实测数据吻合更好,说明在结构性黄土隧道分析中应考虑结构性的影响。     

黄土隧道围岩的结构性变化特征分析

在分析和修正已有结构性参数的基础上,首次提出了将结构性参数直接应用于工程实践的思路。研究了黄土隧道开挖后围岩结构性的变化规律。研究得出:围岩的结构性参数与径深和洞径密切相关;随着径深的增大,拱顶方向上围岩的结构性参数均呈现出先减小后增大的规律,存在一个最小值。与开挖前原状土的结构性参数相比,围岩的结构性损失在距拱顶约1.7～2.5 m时达到最大。随着洞径的增大,开挖对围岩黄土的扰动增强,拱顶方向上围岩的结构性减弱,结构性参数的最小值变化不大,但最小值发生的位置逐渐远离拱顶。最后,提出了以围岩结构性损失最大为依据判断围岩松动圈的新方法。分析表明,黄土隧道围岩的松动圈在1.7～2.5 m变化。     

深埋水工圆形隧洞塑性位移三剪统一解

基于三剪统一强度准则和弹脆塑性模型,考虑中间主应力、渗流、剪胀、软化和塑性区弹性模量等因素的影响,推导了含有5种因素综合影响的水工圆形隧洞塑性区位移解析解;通过算例分析,得出了各参数对隧洞塑性区位移的影响规律。结果表明:各参数取不同值时,位移解可退化为一系列解,参数值可根据具体工程进行合理选择,具有广泛的适用性;围岩剪胀特性对隧洞塑性区位移的影响显著,若不考虑其影响,将明显低估隧洞的变形以致工程设计偏于危险;考虑中间主应力的影响能发挥围岩的强度潜能,减少支护,节约工程造价;考虑渗流和软化特性对隧洞塑性区半径的影响可使塑性区范围更接近围岩真实的变形范围;塑性区弹性模量采用含有半径幂函数的表达式可充分考虑围岩受扰劣化后的应力重分布及爆破损伤等影响,更符合隧洞真实变形情况;该位移解为隧洞塑性区位移计算提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

Rational permeability coefficient of a permeable lining for composite tunnel lining structures

 Various factors influence the tunneling are simplified considering the axial symmetry of the composite lining structure. The analytical expressions for the seepage field,stress,and displacement in the surrounding rock and those for the grouting circle,permeable lining,and ordinary lining are obtained according to the principle of effective stress. The seepage discharge,plastic zone,stress,and displacement around a tunnel affected by the different permeability coefficient ratios between the permeable lining and surrounding rock are studied. The reasonable value of permeability coefficient for the permeable lining are discussed. The results show that the grouting circle controls the tunnel seepage discharge well and has a reasonable permeability coefficient and an optimal radius. The grouting circle controls the plastic zone development in the surrounding rock,i.e.,the thicker the grouting circle,the smaller the plastic zone in the surrounding rock. The tunnel seepage discharge and the effective stress in the grouting circle and lining increase gradually with the increasing of permeability coefficient ratio and tend to be stable after the ratio reaches 0.1. Comprehensive analysis on the factors such as the stability of tunnel seepage discharge,the plastic zone of the surrounding rock and the stress around the tunnel indicates that it is relatively reasonable for the permeability coefficient ratio to be greater than or equal to 0.1.     

基于Mohr-Coulomb准则寒区隧道围岩应力弹塑性解析

随着西部开发建设速度的急剧增长,寒区隧道工程建设逐渐增多,冻胀力及围岩应力大小对寒区隧道结构产生的影响越来越突出。针对这一突出问题,基于弹性理论拉密解及复变理论,结合Mohr-Coulomb屈服准则,确定了围岩塑性区范围,并推导了冻胀力及围岩应力的弹塑性显式解析解。通过算例分析得到:当0°≤θ≤45°时,冻胀力的存在致使围岩塑性区迅速扩展;而当45°≤θ≤90°时,冻胀力的存在却限制了围岩塑性区的发展。其研究成果对寒区隧道工程建设具有良好的参考价值。     

An analytical solution to wellbore stability using Mogi-Coulomb failure criterion

Deep wellbores/boreholes are generally drilled into rocks for oil and gas exploration, monitoring of tectonic stresses purposes. Wellbore and tunnel in depth are generally in true triaxial stress state, even if the ground is under axisymmetric loading condition. Stability of such wellbores is very critical and collapse of wellbore must be avoided. Mogi-Coulomb failure criterion is a better representation of rock strength under true triaxial condition. In this paper, an analytical solution is proposed using Mogi-Coulomb failure criterion. The solution is obtained for rock mass exhibiting elastic-perfectly plastic or elastic-brittle-plastic behaviour considering in-plane isotropic stresses. The proposed solution is then compared with exact analytical solution for incompressible material and experimental results of thick-wall cylinder. It is shown that the results obtained by the proposed analytical solution are in good agreement with the experimental results and exact analytical solution. A reduction of about 13%–20% in plastic zone from the proposed closed-form solution is observed, as compared to the results from the finite element method (FEM) based Mohr-Coulomb criterion. Next, the influences of various parameters such as Poisson's ratio, internal pressure (mud weight), dilation angle, and out-of-plane stress are studied in terms of stress and deformation responses of wellbore. The results of the parametric study reveal that variation in the out-of-plane stress has an inverse relation with the radius of plastic zone. Poisson's ratio does not have an appreciable influence on the tangential stress, radial stress and radial deformation. Dilation angle has a direct relation with the deformation. Internal pressure is found to have an inverse relation with the radial deformation and the radius of plastic zone.     

基于统一强度理论的有压巷道覆盖岩层厚度计算

基于统一强度理论对有压巷道围岩应力进行了弹塑性分析,通过控制塑性区半径,推导出有压巷道覆盖岩层最小厚度的计算公式,当考虑不同中间主应力的影响时,用该公式可计算出一系列的覆盖岩层厚度;在实际工程中可以根据岩石性质试验确定中间主应力参数,得出合理的覆盖岩层最小厚度,从而合理地设计巷道。分析结果表明：该公式考虑了拉压强度差效应和中间主应力的影响,可以退化为其他围岩条件或其他强度理论条件下的覆盖岩层厚度的计算公式,具有较强的实用价值。     

围岩中原始垂直地应力对圆形隧洞全长注浆 岩石锚杆应力分布模式的影响分析

 通过分析原始垂直地应力对圆形地下洞室塑性区半径、围岩体塑性区和弹性区内岩体的位移变化以及对锚杆应力分布的影响,揭示原始垂直地应力对锚杆锚固效果的影响。研究结果表明,弹性区内任一点的应力大小与垂直地应力有关,而塑性区内任一点的应力与原始垂直地应力无关;随着垂直地应力的增大,巷道塑性区半径也在不断增大,二者之间呈明显的非线性关系;塑性区的径向位移及隧洞壁的最大位移也随之增大。同时,根据围岩与锚杆的相互作用,建立全长注浆岩石锚杆在圆形隧洞围岩中的应力分布解析本构方程。在此解析模型的基础上,对不同垂直地应力作用下锚杆的应力分布模式进行较详细分析,得出随着垂直地应力增大,锚杆的摩阻力和轴向载荷也随之增大,并且锚杆端部的应力集中现象更加明显,当锚杆端部的摩阻力超过围岩的容许抗剪强度时,则锚杆与围岩发生开裂破坏,故在设计与施工中应予以考虑。最后,提出提高和改善由于锚头开裂导致锚固效果降低的方法,对全长注浆岩石锚杆施加垫板,能有效改善锚杆的锚固效果。     

二向不等围压条件下考虑软化及剪胀的圆形隧洞弹塑性解

 基于弹塑性软化模型和非关联流动法则,考虑侧压力系数、极轴夹角和不同工况主应力对应关系,同时结合屈服后岩体的软化和剪胀特性,推导出圆形隧洞在二向不等压受力条件下洞周围岩的弹塑性应力、位移和塑性半径的解析解。实例分析表明,侧压力系数和主应力对应关系决定洞周塑性区的分布形状。剪胀对洞周位移的影响远大于对塑性半径的影响;剪胀程度的变化对洞周变形的影响随着围岩软化性质的增强而增大。在以洞周变形为控制的工程项目中,围岩软化和剪胀特性的影响不能忽视。