考虑围岩流变特性的隧洞锚喷支护可靠度分析

为了探讨岩体流变特性对水工隧洞围岩-支护体系的影响，提出了考虑围岩流变特性的隧洞支护结构时变可靠度分析方法。首先采用基于莫尔-库伦准则的西原模型，在静水应力场中给出锚喷支护圆形隧洞的黏弹-黏塑性解析解；然后根据锚杆内、外端位移的解析解和锚杆的屈服强度，构建锚杆承载能力可靠度计算功能函数；最后结合工程实例进行锚喷支护时变可靠度计算与分析。结果表明：围岩的流变特性对围岩位移和锚杆变形量的影响较大，锚喷支护的可靠指标值随时间推移不断减小，而后逐渐趋于稳定；对于围岩条件较差的水工隧洞，不考虑岩体流变特性影响的锚喷支护设计是偏于危险的。研究成果可为水工隧洞支护结构长期可靠性评价提供方法参考和理论支撑。     

考虑渗流影响的幂强化-理想塑性模型圆形隧洞围岩弹塑性新解

合理的强度准则在幂强化-理想塑性模型圆形隧洞围岩弹塑性分析中十分重要。为了得到适合该模型的强度准则,首先对4种常用岩土材料强度准则进行归纳总结,进而得到平面应变统一线性方程;然后考虑渗流影响,推导了幂强化-理想塑性模型圆形隧洞围岩处于塑性区、幂强化区时的应力、位移及塑性区半径的统一解;最后探讨了强度理论效应、幂强化参数和孔隙水压力对圆形隧洞围岩弹塑性分析的影响。研究结果表明:圆形隧洞围岩强度理论效应显著,经与有限元分析对比,应推荐使用Mogi-Coulomb准则、统一强度理论(b=1/2,c=0)准则、统一强度理论(b=1,c=0)准则;其次可使用内接圆DP2准则、等面积圆DP4准则,不建议使用内切圆DP3准则、Mohr-Coulomb准则,谨慎使用外接圆DP1准则、统一强度理论(b=1,c=1)准则;幂强化参数中幂强化系数m值对塑性区半径无影响,而塑性区位移随m值减小而增大,围岩塑性区半径和位移均随幂强化指数n值增大而增大;塑性区半径、径向应力和切向应力峰值均随孔隙水压力增大而增大。研究结果可为应变强化效应较强的圆形隧洞围岩支护设计提供重要的理论依据。     

考虑渗流及软化效应的深埋引水隧洞围岩弹塑性分析

为研究圆形引水隧洞围岩的塑性区及应力分布情况,应用弹塑性力学,考虑渗流及应变软化的影响,采用统一强度准则,推导了圆形隧洞围岩各分区应力场以及塑性区半径的解析解,结合工程算例分析,得到围岩软化、渗流作用、中间主应力系数对隧洞切向应力和塑性区半径的影响规律,同时通过定义不均匀渗透系数,分析了不同方向上孔隙水压力分布规律。研究结果表明:随着不均匀渗透系数的改变,渗流沿不同方向表现出了各向异性,且越靠近水平方向或垂直方向,孔隙水压力分布受不均匀渗透系数的影响越明显;渗流及材料软化对围岩应力场分布以及塑性区大小均有不同程度的影响,材料软化较渗流影响对围岩稳定更为不利;中间主应力系数对围岩切向应力及塑性区范围有着显著的影响,不考虑中间主应力效应时计算结果相对保守,不能有效发挥出围岩的强度。研究结论可为研究含水岩体下隧洞开挖围岩稳定性等问题提供理论参考。     

隧道围岩应力和塑性域的双剪强度理论的分析

针对隧道开挖围岩产生塑性屈服的应力条件变化及稳定性问题,根据隧道围岩的平衡条件和统一强度理论塑性条件,求解得到了圆形隧道的径向应力和环向应力。分析了平面应变条件下统一强度理论的强度参数及围岩支护压力与隧洞半径之间的关系。探讨了平面应变下中主应力参数和统一强度理论次主剪应力系数变化条件下圆形隧道围岩径向应力和切线应力随径向半径的变化规律分布。考虑了支护压力和平面应变统一强度理论中主应力参数和次主剪应力系数对塑性域半径的影响,分析结果表明引入中主应力参数的塑性计算结果更加符合实际。     

基于Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｗｎ准则的隧道围岩塑性变形研究

基于Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｗｎ准则,推导了考虑应力重分布（不考虑地下水作用）的深埋圆形隧洞弹塑性区应力位移计算公式。并对不同地质强度指标ＧＳＩ、围岩类别、支护力和初始应力对围岩塑性区半径和位移的影响进行了分析。在ＧＳＩ取相同值时,不论岩石的种类,初始地应力对围岩塑性区的应力和位移都有较大的影响,尤其是在初始地应力大于15ＭＰａ时影响效果明显增大。将现场观测的围岩累计沉降值和塑性区范围与理论值计算值对比分析发现,围岩累计沉降按斜率可划分为严重扰动区、中度扰动区和微扰动区,且塑性区范围与实际观测结果较为接近,围岩剧烈变形区域集中在距围岩表面0．8ｍ范围内,其变形量占理论计算值的90％左右,可以为以后类似工程提供参考。     

非圆形压力隧洞考虑支护滞后过程的应力与位移解析解

基于平面弹性复变函数中的保角变换方法,考虑衬砌的支护滞后效应,并认为衬砌与围岩完全接触,提出了带有衬砌的非圆形水工隧洞在原始地应力和内水压力共同作用下的应力与位移解析解,且求解过程中采用幂级数法简化计算。以马蹄形隧洞为例,用ANSYS进行数值计算,并与解析解进行对比验证;计算隧洞围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向正应力以及围岩与衬砌之间的接触应力;讨论在不同侧压力系数、位移释放系数和内水压力下围岩与衬砌的应力分布规律。结果显示:解析解与数值解吻合较好;位移释放系数和内水压力对衬砌及围岩的应力分布影响显著,当位移释放系数和内水压力较大时,在衬砌内边界将出现拉应力区。研究结果为非圆形水工隧洞的围岩与衬砌的应力与位移分析提供了可行方法。     

不良地质引水隧洞开挖支护应力变形数值模拟研究

选取围岩强度低、变形量大的不良地质段为代表断面进行计算分析,建立了FLAC3D模型,研究隧洞开挖支护围岩的变应力变形情况。结果表明:隧洞的开挖破坏了围岩的原始应力场,隧洞径向轴力释放,切向应力集中,隧洞顶拱位置形成了比较明显的开挖松动圈。隧洞支护后,支护措施承受部分围岩压力,围岩应力得到改善,隧洞围岩变形明显减小,开挖断面变形整体趋于均匀,隧洞周边塑性区有所改善,因此支护措施对围岩变形起明显的限制作用。     

地下厂房尾水洞围岩开挖稳定模拟分析

借助ABAQUS软件的前后处理和计算模块,引入埋入式离散锚杆模型,考虑洞室开挖过程中应力分期释放,分析了侧压力对地下洞室围岩稳定的影响.计算结果表明,随着侧压力系数的增加,洞室边墙和底板处的位移、围岩塑性区和支护应力逐渐增大,而顶拱处塑性区和支护应力也逐渐增大,但位移变化趋势不明显.     

隧洞围岩稳定性及支护时机分析

通过荷载释放法计算确定某水电站尾水隧洞的最佳支护时机,并依据该最佳支护时机分析毛洞开挖和采用拟定支护措施下围岩整体稳定情况。结果表明,洞室开挖过程中洞周应力释放,围岩应力重分布;随着围岩荷载释放率的增加,洞室最大变形量也有所增加,围岩应力释放率达到70%时,测点变形增量显著增加,此时为该深埋隧洞的最佳支护时机;相较于裸洞开挖,施加喷锚支护能改善隧洞整体应力变形和塑性区的发展,同时又可很好地控制支护成本。     

高地应力条件下输水隧洞断面选型及支护设计

在高地应力条件下选择合理的隧洞断面型式以及支护结构,对保证施工期围岩稳定及隧洞长期运行安全具有重要意义。针对滇中引水工程高地应力洞段,通过对比分析不同断面型式下隧洞围岩应力、变形及塑性区分布规律及量值大小,确定了隧洞断面型式为马蹄型,有利于隧洞围岩受力及结构稳定。在综合分析隧洞围岩的应力变形情况及塑性区深度的基础上,结合工程类比法确定了隧洞施工过程的临时支护措施及永久衬砌方案。通过对比支护前后隧洞围岩的变形数值及塑性区分布范围发现:临时支护措施能够有效的控制围岩的变形及减小围岩的塑性破坏范围,经永久衬砌后的隧洞围岩处于稳定状态,无明显的塑性破坏产生。     

Hoek-Brown强度准则在隧道岩体稳定分析中的应用研究

Hoek-Brown强度准则适宜于描述完整岩石或节理岩体的破坏特征,并在岩体工程中得到了广泛应用。基于Hoek-Brown强度准则对某隧道工程岩体稳定进行分析,并与Mohr-Coulomb强度准则计算进行比较。结果表明:Hoek-Brown强度准则计算得到的关键点位移、塑性半径及塑性区范围均稍大于Mohr-Coulomb强度准则的结果;Hoek-Brown强度准则能够反映施工开挖扰动对岩体力学参数的影响。同时,假设施工扰动系数从隧道内向外逐渐减小,应用Hoek-Brown强度准则研究了开挖扰动程度对隧道塑性半径的影响规律。研究表明:随着扰动的增大,塑性半径非线性增大。     

软岩隧洞可缩性U型钢支架压缩量研究

以深埋软岩输水隧洞为工程背景,研究了钢支架压缩量的计算方法,提出软岩隧洞钢支架压缩量的控制标准。借助数值软件进行U型钢支架压缩量影响因素的定量分析,研究表明:(1)压缩量设计适当的可缩性U型钢支架既能满足深埋软岩隧洞支护"高阻让压"的需要,以保持围岩稳定,又能合理释放掉部分原岩应力,改善衬砌的应力应变状态;(2)确定钢支架压缩量设计值,可根据隧洞支护结构受力状态和围岩塑性区半径划定范围后综合判定;(3)隧洞埋深和围岩类别不仅对U型钢支架压缩量的影响很大,还一定程度上影响钢支架缩动收敛时间,岩体类型和隧洞洞型对U型钢支架压缩量也有较明显的影响。     

线性及非线性屈服函数交界处临界应力对隧洞围岩力学行为的影响

利用C++对FLAC中的双线性的莫尔-库仑及非线性的虎克-布朗屈服函数进行了复合,复合后的线性及非线性屈服函数交界处的临界应力对计算结果的影响是一个值得研究的问题。针对圆形巷道围岩的塑性区、应力、位移及剪切应变增量进行了数值计算。计算结果表明,随着临界应力的值的增加,隧洞围岩的塑性区尺寸、被监测单元或节点的剪切应变增量及位移减小;塑性区内的被监测单元的应力增加。这是由于随着临界应力的值的增加,本文提出的非线性本构模型中线性剪切屈服部分的屈服极限提高所致。在高地应力(莫尔-库仑本构模型不再适用)及侧压系数不为1时的计算结果表明,隧洞围岩发生了拉破坏,非线性的虎克-布朗本构模型不能预测出这一点。     

高地应力环境下引水隧洞软弱围岩稳定性分析

以实际深埋软岩引水隧洞施工为背景,在对导致大变形的围岩压力性质认识和力学行为分析的基础上,结合室内实验、数值模拟手段、施工变形监测数据和围岩—衬砌接触压力现场试验,研究了隧洞开挖后洞周位移分布特征、围岩变形和支护受力随时间发展规律。研究结论表明:(1)大主应力方向为垂直方向的高地应力环境中,隧洞软岩大变形以挤压型变形为主;(2)开挖面和二衬对约束隧洞空间位移分布具有重要作用;(3)软弱围岩变形发展和支护受力具有明显的流变特性和时间效应,及时施加二衬能有效限制流变变形的发展。在研究基础上提出了一些施工中有益于控制围岩稳定性的建议。     

隧道地震响应影响因素分析

应用有限差分软件FLAC3D分析了隧道断面形状、围岩类别、入射波方向及地震加速度水平四类因素对隧道地震响应的影响。综合考虑围岩位移、塑性区范围、应力场分布、剪应变增量等指标,得出圆形及改进直墙拱形等光滑过渡的断面形式对隧道抗震稳定性较为有利;随着围岩强度的降低及破碎程度的增加,隧道在地震响应作用下将越来越不稳定;横向地震波主要影响隧道在地震荷载下最不利的受力位置,竖直向地震波则引起围岩中应力的增大等。     

不同埋深对某水电站隧洞围岩流变稳定性影响

在高埋深下进行隧洞的开挖意味着将克服巨大的构造应力与自重应力,而在进行洞室开挖设计中地应力作用也是不容忽视的。因此,基于卸荷岩体理论和流变理论,依托室内流变试验进行了相关流变参数的反演,结合有限元分析软件ANSYS以及有限差分软件FLAC对比分析了不同埋深下隧洞围岩在加衬砌前后的蠕变变形量、塑性区等。结果表明:随着埋深的增加,隧洞周围的卸荷作用会越来越明显;洞室的开挖卸荷及洞侧围岩的共同作用,使得隧洞在埋深由浅及深的过程中经历了从“压力拱”的出现到消失的过程;当埋深增加时隧洞的水平向位移越来越大,洞侧变形将成为影响隧洞稳定的一个主要控制因素。