考虑围压影响的深埋圆隧围岩应变软化与剪胀特性分析

 不同围压下岩石应变软化与剪胀特性不同,若在隧洞开挖中考虑围岩塑性区域内变化围压影响,其应力–应变场求解方式将区别于既有文献中的传统方法。根据围压影响下应变软化围岩的临界塑性剪切应变变化特征,给出改进的判断围岩是否进入塑性残余区域的规则;引入考虑围压与临界塑性剪切应变的非线性剪胀模型。基于Hoek-Brown屈服准则,根据一定径向应力增量将围岩塑性软化与残余区域分层,采用有限差分法对围岩应力–应变场进行求解;为分析围压对围岩稳定性的影响,根据临界塑性剪切应变与剪胀系数变化与否,设定4种非线性力学模型,深入分析并比较4种力学模型下临界塑性剪切应变、剪胀系数与围岩变形等在塑性软化与残余区域的分布规律。研究结果表明：地质强度指标GSI较小时,考虑围压影响下的围岩应力–应变场与未考虑时差异明显;此时临界塑性剪切应变的减小对开挖边界的围岩剪胀性具一定抑制作用。     

考虑剪胀及软化的洞室围岩弹塑性分析的统一解

基于俞茂宏统一强度理论，考虑某些材料屈服后的强度衰减(塑性软化)和体积膨胀的特点，用弹性-塑性软化-塑性残余三线性应力-应变模型推导出了洞室围岩塑性残余区半径、塑性软化区半径、洞周边位移、围岩内任一点应力及围岩压力的解析表达式，给出了洞室围岩所处应力状态的判别式。得出的解答具有广泛意义，著名的Kastner公式、Airey公式和现有的一些结果为其特例。通过实例分析了剪胀、软化及不同强度模型对结果的影响。该结果在洞室围岩稳定性分析和加固等方面具有一定的工程实用价值。     

考虑应变软化、剪胀和渗流的水工隧洞解析解

基于统一强度理论和弹脆塑性软化模型,考虑不同工况下主应力顺序、岩石应变软化、剪胀和渗流等综合影响,推导了圆形水工压力隧洞应力和洞壁位移解析解。通过工程算例,比较本文方法与传统方法的不同,说明考虑第一主应力的变化和渗流体积力更符合工程实际,并得出统一强度理论参数、软化特性参数和剪胀特性参数对隧洞切向应力和洞壁位移的影响特性。隧洞设计时,应依据围岩材料特性合理地选取统一强度理论参数,并考虑由于软化特性参数和剪胀特性参数的减小对隧洞切向应力和洞壁位移增大的影响。该结果为圆形水工压力隧洞弹塑性分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

深埋圆形水工隧洞弹塑性应力和位移统一解

考虑渗流体积力、中间主应力、主应力顺序、围岩应变软化和剪胀等综合影响,提出深埋圆形水工隧洞弹塑性分析的基本假定。根据假定分别建立施工期和运行期隧洞弹塑性应力和位移统一解,其中运行期又分围岩施工期处于弹性或弹塑性变形两种情况。所得统一解具有广泛的适用性,可退化为众多已有成果。通过工程算例分析,得出围岩与衬砌渗透系数比、统一强度理论参数、软化特性参数和剪胀特性参数对隧洞切向应力和位移的影响规律。研究结果表明:各参数对施工期的影响要大于运行期;围岩与衬砌渗透系数比、黏聚力软化特性参数对施工期和运行期隧洞切向应力和位移影响都很显著;考虑中间主应力的影响,可以更加充分发挥围岩的强度潜能;剪胀特性参数对隧洞位移影响明显。     

考虑剪胀和软化的巷道围岩弹塑性分析

在应力跌落模型的基础上引进软化阈值,建立了弹塑脆性模型,模拟岩土材料的脆性软化性质。基于Mohr-Coulomb准则,考虑了岩土材料屈服后的塑性软化和体积膨胀,推导了圆形巷道围岩的软化区半径、塑性区半径、洞周位移及围岩内应力表达式,最后通过算例分析了剪胀、软化程度和弹模劣化对破裂区范围的影响,为巷道的稳定分析以及支护设计提供理论依据。     

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。     

考虑中主应力和剪胀的深埋圆形隧道黏弹塑性蠕变解

深埋圆形隧道的开挖支护是与时间相关的复杂力学过程。为了描述这一过程,假设隧道围岩为Burgers体与Drucker-Prager准则组合的黏弹塑性模型。隧道开挖支护完成瞬时围岩表现为弹塑性,此时考虑中主应力的影响,推导出原岩应力和支护反力共同作用下的应力场;随后,假设此应力场保持不变,隧道围岩表现出随时间变化的蠕变性能,进一步推导出深埋圆形隧道考虑剪胀性能的围岩蠕变位移解析式;结合实际算例,分析围岩剪胀角与支护反力对深埋圆形隧道围岩蠕变位移的影响规律。结果表明,剪胀角的变化会对隧道围岩蠕变位移产生较大影响,而支护反力并不能完全控制高地应力作用下的深埋隧道围岩位移随时间的持续增加。     

考虑剪胀性和应变软化的油砂非线性弹性模型

油砂力学模型是石油工程设计与开发的基础。为了更精确地描述油砂的剪胀和应变软化特征,本文提出了一种四参数形式的轴应变-偏应力、轴应变-体应变模型,对比分析了四参数模型、南水模型和修正的成都科大模型对风城油砂轴应变-偏应力、轴应变-体应变测试数据的拟合效果,最后对剪胀扩容诱导的绝对渗透率和水的有效渗透率增量进行了预测。研究表明,四参数模型比南水模型、修正的成都科大模型更能合理描述油砂的应变软化、剪胀效应以及体应变演化。根据四参数模型能够更精确地预测剪胀诱导的绝对渗透率以及水的有效渗透率增量,其预测误差比修正的成都科大模型小50%以上。本文提出的四参数模型可以为油砂钻完井及热采数值模拟分析提供关键依据。     

考虑剪胀的线性软化柱形孔扩张问题

从常规试验成果出发，用弹性软化－残余塑性三线性应力应变模型来模拟应力应变软化关系曲线；用三折线来模拟体积应变、小主应变与大主应变的关系曲线。采用双剪统一强度理论的屈服函数形式，推导并给出了柱形孔扩张时，应力场、应变场、位移场和最终扩张压力计算时所需公式和计算求解步骤。最后，通过对某一算例的计算求解，与弹脆塑性模型作了对比，着重分析了不同软化模式对应力场和位移场的影响。     

考虑渗流场影响深埋圆形隧洞的弹塑性解

将深埋圆形隧洞各影响因素简化为轴对称。首先，求解得到渗流场；然后，以渗透体积力方式作用在应力场，求解得到弹性位移和应力解析表达式，再应用Mohr-Coulomb屈服准则，求解得到塑性应力和塑性半径的解析表达式。通过考虑和不考虑渗流场影响两种方法的实例分析表明，随着洞内外水头差的逐渐增大，渗流场对应力场的影响作用将显著增大，但对切向应力的影响程度要比径向应力的大，且径向应力和切向应力不再符合无渗流时的分布规律，出现大小值交换：同时，随着内水水头的增大，涮周压应力和塑性半径逐渐减小，直到出现无塑性区；另外，考虑渗流场影响计算得到的塑性半径要比不考虑时大。     

非静水压力场中考虑应力释放的圆形隧道黏弹性解

在非静水压力场中考虑应力释放的圆形隧道弹性解基础上,先利用对应性原理求解应力释放率λ为常数时隧道的黏弹性解。然后考虑到施工过程中应力逐步释放,隧道内壁(r=R0)处边界条件随开挖面和研究断面之间距离x变化,距离x取决于掘进速度v和时间t,从而边界条件可以表示为时间t的函数。采用斯蒂尔杰斯积分法将常应力释放率时黏弹性解中的λFi(t)(i=1～11)转换为Fi(t)对应力释放率导数dλ(t)的积分形式,可得非静水压力场中考虑应力释放的圆形隧道黏弹性解。该解在侧压系数k0=1时,可转化为静水压力场中考虑应力释放的黏弹性解;在λ=1时,可以转化为非静水压力场中不考虑应力释放的黏弹性解,所以后2种解均为非静水压力场中考虑引起释放圆形隧道黏弹性解的特例。考虑非静水压力场,求解边界条件能较好地反应工程实际中原岩应力分布;考虑应力释放能够反应隧道掘进过程中围岩应力及变形分布情况。故所提出的黏弹性解能够为隧道设计、施工阶段及长期变形及稳定性预测提供理论依据。     

圆形隧道开挖卸荷效应的动静态解析方法及结果分析

针对地下圆形隧道的开挖卸荷效应,基于岩石动力学和弹塑性理论,在求解其动、静态显式解析解方面进行新的尝试。首先,探讨非均匀应力场中圆形隧洞开挖卸荷的力学模型,研究初始应力的分布规律以及卸荷过程的处理方法。基于Laplace变换和留数定理,给出一种计算隧道开挖时围岩响应规律动态解析解的方法,得到线性卸荷条件下围岩应力和位移的解析表达式。其次,考虑岩体的非线性硬化和软化特性,运用弹塑性解析法,推导出围岩应力和位移的静态解析表达式。对比分析动静态解析结果的差异,结果表明：(1) 卸载阶段,惯性力的存在能减少开挖卸荷对围岩的破坏,保持围岩的完整性,故而在动态解析结果中,围岩的扰动范围小,位移小,应力集中系数低,但应力梯度较高。(2) 动态解中,径向应力一直处于压缩状态,而切向应力先拉后压,有利于径向拉裂纹及层板结构的形成。(3) 卸荷速率存在临界值,当卸荷速率达到临界值时,质点的振幅及频率都达到最大值。     

压力隧洞衬砌-围岩(土)相互作用研究

基于Biot理论,采用多孔弹性介质的渗流-力学耦合模型,研究了内水压力作用下隧洞衬砌-围岩(土)相互作用问题。考虑衬砌和围岩(土)的相对渗透性,隧洞处于半封闭状态。提出采用取决于岩土介质孔隙率的应力系数来确定隧洞边界上衬砌(围岩)介质和孔隙水分别承担的内水压力值。在Laplace变换域中得到衬砌分别为柔性和刚性条件下隧洞的应力和变形解答。通过算例分析了应力系数及衬砌的相对刚度对隧洞应力和变形以及孔隙水压力场的影响。     

均匀地应力场下圆形隧道静态弹塑性解析方法

针对圆形隧道的弹塑性解析中许多能更好地反映岩石特性的本构模型由于数学求解的困难而得不到广泛应用的问题,进行新的尝试。首先,基于单一曲线和体积不可压缩假设,总结完善一种更为简便的解析方法。其次,运用该解析方法,针对6种不同的本构模型,计算围岩的弹性区和塑性区应力、塑性区半径、围岩平衡方程、围岩自承地应力上下限等,得到精确或近似的解析表达式。针对线性软化本构模型,引入Lambert函数给出塑性区半径R的解析表达式,论证围岩平衡曲线中R的取值范围。针对Nelder非线性软化本构模型,引入幂函数给出拐点横坐标以及拐点处降模量的近似计算式。当峰后为Weibull非线性软化本构模型时,由于whittaker函数无法求反函数和极限,故而提出以Gauss公式拟合整条围岩平衡曲线,再以Gauss反函数的求解得到塑性区半径的新思路。最后,对比分析6种本构模型的解析结果之间的差异后得出,非线弹性情况下得到的围岩自承地应力上限比线弹性情况下高,而应力集中系数低,应力集中位置偏离弹塑区边界位于弹性区内,切向应力再分布曲线上不会出现尖角,这些都与实际更为相符。因此,不论是软岩或是硬岩,使用连续而光滑的本构模型进行弹塑性分析可以得到更为符合实际的结果。     

考虑衬砌和隔热层的寒区隧道温度场解析解

将隧道非齐次的瞬态传热分解为周期函数边界下的瞬态传热和恒温边界下的稳态传热,利用分离变量与Laplace变换相结合的方法,求解有保温隔热层的寒区隧道瞬态温度场的显式解析解。根据能量守恒,建立隧道洞内气体的气–固耦合传热模型,并获得洞内气体年平均温度和温度振幅的显式解析解。衬砌温度影响因素分析表明,随着隧道埋深和年平均气温的增加,二衬内、外两侧的温度呈线性增加,当年平均气温低于0℃,季冻区隧道埋深小于80m时,5cm厚隔热层很难单独满足防寒需求,应与主动供暖措施联合;随着隔热层厚度的增加,二衬的温度呈增长趋势,但增长速率却逐渐减小;当隔热层厚度超过5cm时,通过增加隔热层厚度来提高衬砌温度要考虑其经济性。依据隧址区的气候及地形条件,采用工程类比和解析解相结合的方法分段计算隔热层厚度。与实测值对比结果表明,理论解满足工程精度要求。     

高围压下岩石卸荷的扩容性质及其本构模型研究

通过岩石试样高围压下的卸荷试验,研究卸荷条件下岩石的扩容性质。研究结果表明:初始扩容点即最大压缩体应变对应的变形模量可作为弹性阶段的弹性模量。根据试验研究,将岩石卸荷试验应力–应变全过程曲线分为弹性、应力屈服、峰后脆性及残余理想塑性4个阶段,并根据各阶段特征得到相应段的本构方程,最后得到卸荷岩体全过程的本构模型。用数据拟合的方法,得到不同卸荷试验下模型曲线,并验证模型曲线可以较好地模拟卸荷的应力–应变曲线。     

爆炸地震波作用下深埋圆形隧道的动力响应分析

 深地下结构在爆炸地震波作用下的动力响应是防护工程设计和评估的重要问题,发展适应深部特点的快速计算方法具有重要意义。采用集中质量方法将圆形隧道离散为有限自由度体系,并将爆炸地震波的作用看作一系列作用在集中质量上的动力,利用局部变形理论将围岩的弹性抗力简化为弹性链杆,采用矩阵力法考虑结构在各种内力作用下产生的自身变形和弹性半空间的变形,并据此建立结构动力方程矩阵。通过对结构动力方程的求解,可以得到结构的动力集中系数和结构内力、弯矩、位移等参数。采用所提出的方法计算一个算例,分析围岩等级、荷载作用位置、正压作用时间以及入射波角度等因素对隧道衬砌结构动力响应的影响。     

偏压双连拱隧道信息化施工与仿真分析

针对湖南一高速公路偏压双连拱隧道进口段埋深浅、地质条件复杂以及隧道结构受力复杂等情况，对隧道典型断面的拱顶下沉量、中墙顶部位移和收敛位移进行现场监控量测，结合隧道开挖情况和工程地质条件分析其发展规律和产生原因，给设计和施工反馈围岩变形信息，指导现场施工。同时，对隧道的施工全过程进行有限元仿真模拟分析，把有限元计算结果与现场监测数据进行比较，结果表明二者反映围岩位移的变化规律是一致的，能够动态地指导偏压双连拱隧道全过程施工，确保施工安全。