应变软化弹塑性岩体中TBM施工过程围岩力学状态的理论分析

 针对深埋圆形隧洞TBM施工过程,综合考虑纵向推进和双层衬砌构筑过程,对围岩–衬砌进行耦合分析,得到应变软化弹塑性岩体在不同时刻施加衬砌时的应力、位移、软化区和破裂区半径的解析解,并给出带衬砌问题围岩达到软化和出现破裂的判据。推导中同时考虑了岩体在软化阶段和残余强度阶段的体积扩容。通过算例分析初衬和二衬施加时刻对围岩位移、软化区和破裂区范围以及围岩压力的影响,讨论了荷载在两层衬砌间的分担演化规律。分析表明,算例中TBM推进至3倍洞径时施加二衬,则二衬阶段产生的位移可控制在总位移的6%以内;衬砌间的作用力对二衬施加时刻较为敏感,而衬砌对围岩的支护力将受初衬和二衬施加时间的共同影响。根据提出的解答,可以进行TBM推进速度、衬砌几何和材料参数及最佳支护时机的初步设计,并预测隧洞施工中位移、应力的时程变化。     

柱面SH波作用下圆形隧洞对附近场地动力响应的影响分析

在柱面SH波作用下,分析具有圆形隧洞的场地的动力响应。基于弹性波动理论,采用数学模型,分析含圆形隧洞的弹性半空间中的弹性波的散射问题,得到圆形隧洞附近场地的位移的解析解,并对解答的正确性进行验证。通过对圆形隧洞的埋深、半径和衬砌刚度等参数进行分析,研究圆形隧洞周围土体的位移幅值沿深度的变化情况。结果表明,圆形隧洞的存在对附近场地的动力响应行为有着显著的影响;圆形隧洞周围土体的位移幅值与圆形隧洞的物理力学参数有着密切的关系;随着圆形隧洞的衬砌刚度和埋深的减小,圆形隧洞周围土体的位移幅值逐渐增大;随着圆形隧洞半径的增大,周围土体的位移幅值随之增大。     

各向异性岩体中不同接触衬砌隧洞的解析分析

通过复变函数方法建立分析了非圆形水工衬砌隧洞,在衬砌与围岩处于完全和光滑接触条件下的解析解,考虑了衬砌的支护滞后效应和洞内水压作用。研究了正交各向异性岩体中的马蹄形衬砌隧洞,在不同接触条件和洞内压力工况下,接触边界和衬砌自由边界上的应力和位移解。接触条件对衬砌接触边界的切向应力分布影响最显著,完全接触条件下两底脚的切向压应力最大,光滑接触条件下最小。岩体各向异性和倾斜结构面对衬砌中力学分量的非对称性影响在完全接触条件下明显。完全接触条件可高效发挥衬砌的支撑作用,光滑接触条件使岩体的自承能力充分体现。衬砌在两种接触条件下均承担了大部分由水压引起的张拉效应。     

考虑宽度与厚度的颗粒胶结模型理论分析

在深海能源土、岩石风化等问题离散元模拟中,颗粒间胶结物的增减将对材料宏观力学特性有显著影响,因此需要建立考虑胶结厚度和宽度的胶结模型。针对离散元理论中粒间真实形状胶结物在粒间力作用下的刚度和强度确定问题,基于原始的Dvorkin理论,给出高精度的胶结力学响应理论解。求解中将位移函数对称化,提出一种修正位移试函数的方法,提高了二维颗粒微观胶结模型应力场的对称性和精度,经验证解答在定性和定量上符合有限元模拟结果。根据所得解答对胶结物几何参数进行了分析,讨论了胶结宽度和厚度对胶结刚度的影响,并给出了针对一般常见材料的刚度拟合公式。采用双剪统一强度理论分析了脆性和塑性胶结材料的初始破坏区位置,给出拉/压剪复合受力状态的强度包线。本文解答可方便快捷地获得胶结模型的大量力学响应信息,可作为试验数据的验证和补充,协助建立胶结物在复杂荷载作用下的破坏判据,进而建立完整的离散元胶结模型。     

流变岩体中椭圆洞室断面开挖过程的力学分析

给出了黏弹性流变岩体中深埋椭圆隧洞断面开挖过程中力学响应的解析解答。通过设定长短半轴随时间变化的函数可模拟施工过程。首先,结合变边界黏弹性问题对应关系和平面弹性复变方法,求得岩体应力及开挖引起位移的统一表达。在推导中,通过建立逆映射函数,分离出参与Laplace变换的时间。然后,对模拟为Boltzmann黏弹模型的岩石材料,给出了积分形式的位移表达式。最后,针对不同类型岩石进行不同开挖方式和速度下无量纲位移及应力的参数分析。分析表明,施工方式对位移与应力有明显影响。给出的解析解答可用于地下椭圆孔型隧道在开挖过程中的力学分析,并可作为实际工程初步设计的手段。     

基于时效理论解的双层衬砌圆形隧道围岩压力分担的简便计算法

隧道的顺序施工叠加岩石流变特性,使围岩和衬砌的力学状态与时间相关。针对水平和竖向地应力不相等的一般地应力条件下双层衬砌圆形隧道施工问题,采用复变函数方法和Laplace变换,推导了开挖和支护全施工过程任意时刻围岩、衬砌的位移和应力理论解答。理论推导中用任意黏弹性模型模拟岩石流变特性,并在隧道开挖完成后的任意时刻分别施加一次衬砌、二次衬砌。并与相同条件下有限元解进行了比对。为便于工程设计,基于本文时效理论解,通过衬砌压力的机理分析,运用数据拟合的方法,给出了围岩压力分担的简便计算法,公式形式简单、适用范围广,同时也可以实现解析解的类似精度,为科学合理确定二次衬砌施工方案提供了理论依据。结合一算例,针对不同围岩压力分担情况,分别给出二衬施加时刻和二衬厚度建议值。工程中可据此方便、快捷地进行相似工程条件下的初步设计。     

基于应变非线性软化的衬砌压力隧洞弹塑性解析解

基于岩体应变非线性软化本构模型,考虑中间主应力的影响,对等压荷载作用下的衬砌压力隧洞进行弹塑性分析。将围岩划分为裂缝区、塑性区、弹性区,推导出了围岩裂缝区、塑性区、弹性区及衬砌内任一点的应力和位移解析计算公式,并得到了使衬砌边缘岩体开始产生塑性变形的临界内压力。所得到的解与基于理想弹塑性体的Kaster’s解相比,更接近实际隧洞围岩受力变形情况。     

锚喷支护形式洞室全施工过程的力学分析

针对粘弹岩体中地下圆形洞室开挖并在某时刻施加锚喷支护的时变问题,用解析方法推导了开挖—自由流变—支护—支护后时段全施工过程中原岩区及锚固区围岩位移和应力的时效规律,从理论上得到了不同开挖方式、支护时刻、支护方式对应力和位移的影响,并通过分析解析解,得出了许多对圆形洞室的锚喷支护的规律性认识,对合理设计支护结构具有重要意义。     

锚固围岩流变特性与隧道衬砌压力演化规律研究

安装锚杆是解决软岩隧道大变形的有效手段之一。为进一步探讨锚杆对隧道的支护效用,本文基于Burgers模型,建立了可描述锚固岩体流变特征的宏观力学模型。以围岩-锚杆耦合模型为基础,推导了在锚杆支护作用下隧道位移和衬砌压力的解析解。并利用数值模拟,验证了理论解答的可靠性。通过对锚杆参数的分析表明:锚杆的安装能有效地减小由于围岩流变导致的作用在衬砌上的形变压力与隧道位移。锚杆的支护效果与锚杆的参数密切相关。在锚杆参数值处于较小水平时,随着锚杆参数的增大,衬砌受力状态的改善效果十分显著;但当参数达到一定值后,这种改善效果的加强越来越不明显。因此,在隧道支护中,锚杆的设计参数存在最优值。     

远场剪切波作用下深埋矩形隧洞地震响应解析解

 既有理论针对土体与结构相互作用的地震响应研究一直集中在圆形隧洞截面,而就矩形隧洞的分析往往会增加动力计算的复杂性。基于拟静力法,采用复变函数理论和保角变换方法,推导获得远场剪切波作用下深埋矩形隧洞的地震响应解析解。该复变函数解答考虑了土体与隧洞间相互作用的剪应力和法向正应力,并针对保角转化函数引入修正系数,提高了在复平面转化时矩形隧洞截面表示函数的计算精度。结合数值模型验证解析方法的正确性,并对矩形隧洞归一化位移比和土体应力场变化进行参数分析。研究表明,通过引入修正系数,使得解析解精度得到一定提高,与数值模拟解答更为接近。矩形隧洞归一化位移比值随着隧洞衬砌与土体的相对刚度比值增大而减小,而随着截面尺寸比率的增大而增大。在矩形隧洞截面尺寸的比率和相对刚度比值一定的情况下,矩形隧洞的归一化位移比随着土体泊松比的减小而增大。当截面尺寸比率为1时(正方形隧洞),土体泊松比的变化对于隧洞归一化位移比值影响较小。矩形隧洞周围土体应力随着土体泊松比的增大而增大,随着土体弹性模量的增大而减小,而随着衬砌剪切模量的增大而减小。     

对层状岩体使用修正的Hoek-Brown破坏准则的有限元分析EI北大核心CSCD

针对用于各向异性岩石材料的修正后的Hoek-Brown准则,推导相应的数值计算格式,将其引入可对横观各向同性介质进行弹塑性分析的二维有限元程序中,以一个假定的位于层状岩体中的矩形地下洞室为算例,通过改变岩体层面的倾角,计算和分析围岩中的位移、应力及塑性区。结果表明:当岩体层面的方向位于某些角度时,围岩中可能无或出现范围不同的塑性区,层状岩体各向异性的变形和强度特性对洞室围岩的力学动态及稳定性具有强烈的影响。     

基于幂强化-理想塑性模型的深埋圆形水工衬砌隧洞弹塑性解

为了求解围岩与衬砌相互作用体系下深埋圆形水工衬砌隧洞的应力和位移,首先假定围岩采用幂强化-理想塑性模型,衬砌采用理想弹性模型,然后考虑渗流影响和主应力顺序,推导了施工期和运行期两种工况下深埋圆形水工衬砌隧洞的弹塑性解,最后探讨了围岩与衬砌渗透系数比、幂强化参数、屈服准则三个参数对塑性区半径、切向应力和位移的影响。研究结果表明:围岩与衬砌渗透系数比对施工期切向应力、施工期和运行期塑性区半径影响非常显著;幂强化参数对施工期、运行期的位移和塑性区半径影响比较显著;不同的屈服准则对施工期、运行期塑性区切向应力和塑性区半径影响比较显著。考虑围岩与衬砌的相互作用更接近于工程实际。     

对层状岩体使用修正的Hoek-Brown破坏准则的有限元分析

针对用于各向异性岩石材料的修正后的Hoek-Brown准则,推导相应的数值计算格式,将其引入可对横观各向同性介质进行弹塑性分析的二维有限元程序中,以一个假定的位于层状岩体中的矩形地下洞室为算例,通过改变岩体层面的倾角,计算和分析围岩中的位移、应力及塑性区。结果表明:当岩体层面的方向位于某些角度时,围岩中可能无或出现范围不同的塑性区,层状岩体各向异性的变形和强度特性对洞室围岩的力学动态及稳定性具有强烈的影响。     

盾构输水隧洞双层复合衬砌结构受力特性分析

以北京市南水北调配套工程某盾构输水隧洞为工程背景,对盾构隧洞双层衬砌进行了受力特性的研究,分析了内外衬之间初始间隙、垫层材料弹性模量和厚度以及隧洞周围土体基床系数等对双层衬砌联合受力的影响,结果可供工程设计人员参考。     

管片厚度对隧道受力及使用性能的影响

管片厚度是盾构法隧道设计中的一项重要参数,其取值大小不仅影响隧道的造价,而且还直接影响着隧道受力及使用性能。隧道柔性衬砌设计理论认为,调整隧道本身与周围土层的相对刚度,可以改变衬砌与周围土层之间的相互作用,使衬砌上的荷载变得均匀些,从而有利于衬砌的受力,使衬砌设计更加经济合理。衬砌断面刚度与衬砌厚度的三次方成正比,故在一定地层中,调整衬砌厚度的大小将会较多地改变衬砌与地层之间的相对刚度,从而影响衬砌结构的受力性能。此外,管片厚度取值大小也对隧道衬砌的防水效果以及耐久性有重要影响。本文以某地铁区间隧道衬砌结…     

锦屏二级水电站深埋引水隧洞稳定性研究

裂隙岩体的渗流应力耦合机理是岩体水力学的研究重点。基于多孔介质有效应力原理,以体积应变为切入点,建立了考虑岩体变形特性的渗透系数动态演化方程和弹塑性耦合损伤本构模型,并将所建立的本构模型编制程序导入到大型商用有限元程序ABAQUS,研究锦屏二级水电站深埋引水隧洞运营期围岩和衬砌的受力和变形特征。研究成果表明:考虑渗透系数动态演化的力学模型可以更好地反映隧洞运营期衬砌的外水压力特征,比不考虑渗透系数动态演化的计算结果更加合理,由于锦屏4个引水隧洞的间距较大,隧洞开挖和运行放水所产生的裂隙损伤演化区没有形成贯通区域。     

平面P1波入射下双层衬砌对海底隧道地震响应的影响

将海水和海床土分别视为理想流体和饱和多孔介质,基于理想流体波动理论和Biot流体饱和多孔介质理论,考虑海水-海床土-隧道结构动力相互作用,利用波函数展开法和Hankel函数积分变换法,给出平面P₁波入射下海底双层衬砌隧道地震响应的解析解。与以往的“大圆弧假定”方法相比,Hankel函数积分变换法可以将海底双层衬砌隧道场地中的散射波场势函数从柱坐标系下直接转换到直角坐标系下,可以更好地处理海水层表面和水土交界面处边界条件。在解析解的基础上,分析内外衬砌刚度比和内外衬砌厚度比对海底双层衬砌隧道位移响应和应力响应的影响,对海底双层衬砌隧道的抗减震设计提出合理建议。研究结果表明：(1)海底双层衬砌隧道的应力响应明显小于同参数条件下的单层衬砌隧道;(2)内外衬砌刚度比和厚度比对隧道位移响应的影响与隧道衬砌位置有关;(3)随着内外衬砌刚度比和厚度比的增加,隧道外衬砌应力响应均有减小趋势;(4)综合内外衬砌刚度比和厚度比对隧道位移响应和应力响应影响,海底双层衬砌隧道抗减震设计时,隧道内外衬砌刚度比和厚度比的选取范围分别建议为E₂/E₁...     

裂隙岩体渗流–断裂耦合机制及应用

将断裂力学引入裂隙岩体流固耦合分析,建立裂隙岩体渗流–断裂耦合机制,在 FLAC ^3D 现有计算模块的基础上,通过 FISH 研制了裂隙岩体渗流–断裂耦合分析程序。该模型的耦合机制体现在：渗透水力梯度作为渗透体积力作用于应力计算单元,裂隙渗透压作为面力作用于裂纹张开部分引起断续岩体裂纹的劈裂扩展;岩体裂纹的扩展引起岩体渗透系数的增加导致渗流场的改变。将渗流 – 断裂耦合理论应用于高水头不衬砌压力隧洞工程中,系统地研究高水头不衬砌压力隧洞在运行期间的水力劈裂、渗流场和内水外渗渗漏情况,得到：①处于水力劈裂的高水头压力隧洞周边向外延伸依次为拉剪劈裂区、压剪劈裂区、未劈裂区;②由于渗流体积力作用,高水头压力隧洞内水外渗过程中洞周产生径向向外变形;③高水头压力隧洞内水外渗过程中渗漏率先增加后平稳减少最终稳定。首次提出陡倾地表下不衬砌压力隧洞与裂纹几何特性、力学特性和岩石断裂韧度高度相关的水力劈裂系数的概念 。 建议在水工隧洞设计规范中建立与水力劈裂系数相匹配的安全控制标准,可为我国不衬砌压力隧洞工程的设计提供理论基础。     

多年冻土区桥梁桩基础抗震性能及影响因素分析

为研究多年冻土区桥梁桩基础抗震性能及影响因素,以中国多年冻土区广泛存在的高承台桩基础为研究对象,通过拟静力试验结合有限元方法探讨了多年冻土区桥梁桩基础地震破坏特征及冻土层物理力学特性变化对其抗震性能的影响规律。结果表明,随着土体温度的降低,桩–冻土体系的水平承载力、初始刚度均呈增大趋势,桩身位移在土体冻结前后变化显著。土体初始含水率的改变对桩–冻土体系的水平承载力及桩身位移的影响较小,但以土体最优含水率为界限,界限含水率两侧桩–冻土体系的刚度变化存在较大差异。土体压实度的改变对桩–冻土体系的水平承载力及桩身位移的改变影响较小,桩–冻土体系的初始刚度随着压实度的增大而增大。因此,在冻土区桩基础桥梁抗震设防中应当充分考虑桩周冻土物理力学特性变化对其抗震性能的影响。     

装配整体式双层衬砌接头荷载试验与结构计算理论——南水北调中线穿黄隧洞结构计算模型研究

穿黄隧洞是南水北调中线总干渠上穿越黄河的水工输水隧洞，隧洞使用双层衬砌结构，如何评价双层衬砌相互作用是设计的关键问题。为了解决这个问题，从讨砌接头荷载试验入手，通过对大量试验数据的整理、分析，抽象出接头的力学模型，对接头的荷载试验进行数值模拟，建立了接头抗弯刚度的理论评价方法和双层衬砌接头的相互作用模型，并用试验数据对模型的正确性和准确度进行对比验证；将管片接头试验和双层衬砌接头试验中建立的接头力学模型推广应用到整环衬砌受力计算中，从而得到了圆形装配式一次衬砌的计算模型和装配整体式双层衬砌的受力计算模型。研究工作取得了如下的成果： （１）对大量试验数据进行分析处理，总结了管片接头荷载试验的各种实测数据的变化规律，提出了接头抗弯刚度的经验计算公式。 （２）根据预制式管片接头的构造特点，抽象出接头的力学模型，建立了接头抗弯刚度的数值模拟模式和装配式一次衬砌整环受力计算的梁－非线性弹簧模型。 （３）推导了根据实测钢筋应力计算双层衬砌截面内力分配的公式。根据双层衬砌接合面结构处理方式的不同，提出了３种双层讨砌相互作用模型，并用试验结果对模型的准确性进行了验证。 （４）对于装配整体式双层衬砌，根据外管片施工后外部水土压力