隧道围岩压力运动单元上限有限元计算方法

针对隧道围岩压力与破坏模式问题,应用刚体平动运动单元上限有限元方法(UBFEM-RTME)与程序开展计算分析,获得了支护反力系数N_γ及N_c上限解曲线图和围岩有效间断线网破坏模式及其演变规律。与多种基于假定破坏机构的刚性块体上限法及模型实验结果进行对比分析,验证了UBFEM-RTME方法获得的支护反力σ_T上限解为极限分析上限理论框架内的较优解答,并且N_γ及N_c上限解与太沙基围岩压力解答变化趋势基本一致。除N_γ及N_c上限解外,UBFEM-RTME方法获得的隧道围岩有效间断线网破坏模式存在多种形态特征,大致涵盖了既有文献关于围岩破坏机构假定的多种型式,体现出该方法能摆脱假定破坏机构的限制,应用于隧道围岩压力求解具有良好适用性。     

隧道工作面稳定性与滑移线网破坏模式研究

针对隧道工作面稳定性和破坏模式问题,从保守角度将其假定为沿隧道纵向中线剖开的二维平面应变模型,采用刚体平动运动单元上限有限元法(UBFEM-RTME)开展分析研究,绘制了土体自重作用下地层临界失稳状态对应的隧道工作面稳定系数N_(cr)图表和有效间断线网(近似滑移线网)破坏模式,探讨了埋深比H/D、内摩擦角j和剪胀角ψ等参数影响规律,给出了N_(cr)与H/D和j影响因素的拟合公式,进一步揭示了有效间断线数目及位置分布等网格参数对计算精度的影响程度。研究表明UBFEM-RTME数值计算配合网格更新策略并保证合理充足的网格密度,能提高N_(cr)上限解精度并捕获高密度有效间断线网破坏模式,其分析结果可用于评价隧道工作面稳定性、揭示极限失稳破坏形态的主要特征,为地层预加固方案制定等工作提供一定理论支撑。     

底部刚性层限制条件下条形基础地基承载力系数Nc与破坏模式

存在底部刚性层限制时，极限荷载作用下的条形基础地基破坏模式会变得异常复杂。此时，应用极限分析、滑移线或数值分析等方法求解地基极限承载力，难以获取明确的定量破坏形态。为此，本文应用刚体平动运动单元上限有限元，通过多次网格更新方式进行系统地分析研究，重点揭示与黏聚力相关的地基极限承载力系数N_c的上限解曲线及其滑移线网破坏模式，探讨地基土层厚度、土体内摩擦角和基础与地基界面有限摩擦等关联因素的影响规律。研究结果表明：当刚性层上方地基土较厚时，N_c和刚性层影响的修正因子K_c随土体内摩擦角和土层厚度的变化不明显；而当土层厚度变薄时，N_c和K_c伴随土体内摩擦角增大和土层厚度变小而急剧增长；土层厚度较小时，基础与地基土接触面摩擦条件对地基破坏模式影响显著，表现为接触面粗糙程度的下降使得N_c大幅减小，与无底部刚性层限制时的规律差异显著。最后，应用运动单元上限有限元分析，验证了底部刚性层限制条件下地基极限承载力系数N_c与N_q之间的...     

非均质黏土地基隧道环向开挖面稳定上限分析

基于多块体极限分析上限法,推导了不排水条件下饱和黏性土地基中隧道环向开挖面稳定支护压力的计算公式。编制相应的计算程序,优化得到了隧道环向开挖稳定的最优上限解答。通过与已有极限分析上限解答的对比,验证了多块体极限分析上限法在隧道开挖稳定性分析的适用性。对照隧道开挖稳定的最优上限解的变化规律及相应破坏面的形状,详细分析了隧道埋深比、土体重度及强度非均质性对开挖面极限支护压力和因隧道开挖产生的滑动面范围和位置的影响。在此基础上,进一步基于隧道失稳的简化破坏模式推导了黏性土地基隧道开挖稳定的极限支护压力的简化上限解。通过与已有离心模型试验的对比验证,指出本文上限解可直接用于工程中初步确定开挖面支护压力,为隧道工程设计提供可靠的理论依据。     

浅埋矩形隧道掘进面被动失稳混合破坏机制

浅埋条件下矩形隧道顶管法施工中因支护压力波动极易诱发掘进面被动失稳。采用平面分析对该问题进行研究,并建立被动失稳机动破坏机制。该机制是由平面螺旋与平动机动破坏机制组成的混合机制,2种机制间采用离散技术建立速度不连续面进行过渡。基于该机制,采用上限分析法推导出被动失稳支护压力上限解,并通过最优化方法得到了极限支护压力及最优破坏模式。参数分析表明,土体摩擦角对失稳影响较显著,随着摩擦角增加,失稳区域扩大而极限支护压力迅速增大,与此同时,破坏区域中平动模式所占比例增加;黏聚力对失稳模式影响较小,而地表超载增加引起失稳区域扩大,支护压力线性增长。对比分析发现,隧道宽高比较大情况下,基于平面混合破坏机制的上限解与数值解吻合较好,且吻合程度随着宽高比增加而提高。研究表明,平面混合破坏机制有着较好的应用前景,可为相关工程设计施工提供理论参考。     

考虑渗流影响的盾构隧道开挖面稳定上限分析

通过考虑渗流影响的弹塑性有限元分析,获得渗流条件下的开挖面破坏模式,对比无渗流条件下开挖面的破坏模式,分析渗流对开挖面破坏模式的影响。基于极限上限分析,对无渗流条件下的破坏模式进行改进,提出了适合渗流条件下盾构隧道开挖面稳定性分析的破坏模式,建立了考虑渗流影响的极限分析上限法,获得了渗流条件下维持开挖面稳定的总极限支护压力。结合算例验证了该方法的有效性,并将其用于钱江隧道工程实例分析。研究表明：渗流会影响开挖面破坏模式,但当水位线不高于地表时,这种影响可以认为是一定的与隧道直径和土体内摩擦角等因素无关。总支护压力的很大部分被用于平衡渗流力,且总支护压力值与地下水位线近似呈线性关系。     

浅埋双侧偏压小净距隧道衬砌荷载及其参数敏感性分析

为了研究浅埋双侧偏压小净距隧道开挖的破坏模式及衬砌荷载分布规律,通过现场调研和数值模拟的方法对4种典型计算模型进行分析,分别获得了该类型隧道先行洞开挖和双洞开挖后隧道的破坏模式。然后针对该类型隧道的破坏特点,在基本假定的基础上建立了浅埋双侧偏压小净距围岩压力计算的力学模型,并结合公路隧道设计规范中有关成果,推导出能够考虑隧道左、右洞先后施工过程的隧道围岩压力计算理论。此外,通过数值模拟的方法对该类型隧道的围岩压力计算参数进行敏感性分析,获得了各计算参数对该类型隧道围岩压力的敏感性影响规律。     

非线性破坏准则下浅埋隧道掌子面三维被动稳定性能耗分析改进方法

 通过引入圆锥椭圆截交线计算公式,改进浅埋隧道掌子面三维被动破坏多椭圆锥体几何参数的计算方法。基于非线性破坏准则和极限分析上限法,推导浅埋隧道掌子面三维被动支护力的上限表达式,并进一步采用非线性规划程序优化计算获得了极限支护力最优上限解。通过对比分析,验证本文方法的可靠性;同时分析非线性抗剪强度参数对被动破坏极限支护力和破坏模式的影响,并绘制相应的破坏模式图。研究表明：被动破坏极限支护力与地面超载?s及地层容重?大致呈线性变化,而与非线性参数m、量纲一化的参数c0/?t及超负荷比C/D呈非线性变化;非线性参数m、量纲一化的参数c0/?t和超负荷比C/D对破坏模式影响显著,而地面超载?s对破坏模式影响则较小。研究成果为隧道掌子面稳定性分析提供一种新思路,进一步完善了隧道掌子面稳定性评价体系。     

深埋老黄土隧道变形规律及初支受力机理

为了解决深埋老黄土隧道初期支护因围岩弱化挤压而破坏的现象,为隧道支护破坏整治提供依据,以阳山隧道出口深埋老黄土段为工程依托,对不同含水率下隧道变形规律进行了统计分析,然后综合采用变形反演、强度折减数值计算和实测支护内力规律对比的方法对初期支护的整体受力状态和受力规律进行了研究,最后通过数值计算对初期支护受力关键部位的破坏过程和破坏机理进行了分析。得到如下结论:(1)深埋老黄土隧道变形规律与围岩含水率相关,在围岩含水率低于老黄土塑限前,隧道的变形量小、稳定速度快、拱顶沉降大于水平收敛,含水率大于塑限后,隧道变形量显著增加、持续时间长、水平收敛大于拱顶沉降;(2)初期支护全环整体处于小偏心受压模式,受力关键部位为拱部,随着围岩的不断弱化,支护小偏心受压模式不变、内力逐渐增加,最大内力由拱腰转移至拱脚处;(3)在小偏心压力作用下支护结构为“压-剪”控制破坏,表现为混凝土表面压碎剥落、内部斜向剪切破坏,锁脚锚管的存在对结构破坏发展方向有引导作用,使得结构由“X”型对称剪切破坏转化为固定方向的斜截面剪切破坏。建议支护破坏整治方案采用可提高结构斜截面抗剪强度的加强措施,或采用限阻耗能型支护来释放围岩压力并减小结构内力。     

考虑局部失稳的盾构隧道开挖面#br# 挤出破坏数值模拟与理论分析

通过数值模拟和理论分析,研究了盾构隧道开挖面挤出破坏机理。首先,利用有限元软件进行了数值模拟,揭示了隧道开挖面挤出破坏的局部失稳模式,得到了盾构隧道开挖面挤出破坏的局部失稳比和极限支护压力。此外,还进行了摩擦角和相对埋深对局部失稳比率和极限支护压力的参数敏感性分析。其次,基于极限分析方法,提出了一种考虑局部失稳模式的隧道开挖面挤出破坏新机制。新的被动破坏机理由五个圆锥台和作用在圆锥台上的分布力组成。通过对定义的角度和隧道开挖面局部失稳直径进行数值优化,计算得到挤出破坏模型的上限解,进而研究了摩擦角和相对埋深对局部失稳比的影响。比较了数值模拟和理论分析得出的局部失稳比结果。最后,将获得的被动极限支护压力与现有方法进行了比较,表明新的挤出破坏机理为极限支护压力提供了较为满意的预测结果。     

条形粗糙基础极限承载力求解与误差分析

利用滑移线法计算了粗糙条形基础极限承载力,计算时考虑了土的黏聚力c、内摩擦角φ和土体重度g的共同作用,避免了对破裂面形状的人为假定,并满足所有边界条件。将数值计算结果与其他学者的解答进行了对比,证明了解答的准确性。分析了地基承载力系数N_γ的影响因素,证实了N_γ除了与地基摩擦角φ有关外,还与超载比l有关。绘制了不同j值下N_γ随l的关系曲线,给出了N_γ的拟合公式,计算结果表明拟合公式的误差在±4%以内。最后对传统叠加方法计算承载力与精确解之间的误差进行了计算,总结了不同j值时误差e随l的变化规律,发现叠加计算结果比精确解小,且最大误差出现在l介于0.1~1之间。     

Upper-bound stability analysis of a plane strain heading in non-homogeneous clay

This paper investigates the undrained stability of a plane strain tunnel heading in cohesive soil, whose undrained shear strength is assumed to increase linearly with depth. Upper bound stability solutions for a practical range of parameters of geometries and soil conditions are found using the multi-rigid-block upper bound method. The upper bound solutions obtained from the multi-rigid-block mechanisms significantly improve the classical solutions and have good agreement with those of the finite element limit analysis when C/D is small. An improved simple collapse mechanism which intermix inhomogeneous deforming region and rigid blocks translation together is proposed based on the multi-rigid-block upper-bound analysis. An upper bound analytical solution is then obtained in view of the numerical results of both the multi-rigid-block collapse mechanism and the improved simple collapse mechanism. And it predicts the plane strain heading stability relatively accurate for shallow tunnels.     

基于非线性M–C准则的深埋土质隧道三维塌落破坏上限分析

围岩条件较差时,深埋土质隧道在隧道开挖过程中容易发生塌方,准确预测深埋土质隧道塌方土体的范围极其重要,目前能预测深埋土质隧道塌落范围的理论研究不够成熟。为了提前预测土质隧道围岩顶部塌落体的范围,基于非线性Mohr–Coulomb准则和极限分析上限法,推导出深埋土质隧道在三维破坏机制下塌落体的上限表达式,得到了深埋土质隧道塌落体范围的精确解。通过数值软件Matlab绘制出了塌落体的三维形状,研究了各参数对深埋隧道塌落体形状的影响,并与既有研究进行对比分析,研究结果表明:土体中各参数、隧道顶部圆弧的半径和支护力对深埋土质隧道塌落体的范围影响比较大;基于非线性Mohr–Coulomb准则下深埋土质隧道塌落体的上限分析可以求解出有、无支护力条件下塌落体的高度和宽度,求解合理、可靠,并能给出防止深埋土质隧道塌方发生的支护力大小,可为隧道工程设计提供理论依据。     

双平行圆形隧道稳定的塑性极限分析上限解

从塑性极限分析上限法的基本原理出发，通过分析单圆形隧道4种类型垮落机制所获得的稳定率上限解，构建黏土层中双平行圆形隧道的垮落机制，阐述双平行圆形隧道稳定与垮落间的临界稳定分析过程，导出浅土层中双平行圆形隧道稳定率的上限方程。该方程根据隧道间不同距离，综合两隧道重叠（单隧道）、两隧道相接触、相互影响的双隧道以及互不影响的两单隧道的稳定特征。通过该方程进一步讨论土重对双隧道稳定率上限解的影响。最后，由离心模型试验结果证实其上限解的正确性。     

Stability analysis of large slurry shield-driven tunnel in soft clay

The face stability of large slurry shield-driven tunnels is investigated by an upper bound approach in limit analysis and three-dimensional numerical modelling for the Shanghai Yangtze River Tunnel. Both the local failure and global failure in collapse and blow-out are studied. Firstly, the upper bound solution for local stability is presented, taking into account the gradient of slurry pressure. The maximum tunnel diameters for given site conditions could be determined by this solution. Then, the progressive global stability mechanism is studied using a multiblock model of upper bound theorem. The analysis shows that it is necessary to take into account the partial failure in large size slurry shield-driven tunnels, especially in the case of blow-out. The global blow-out of the partial upper part of the tunnel face occurs when the slurry pressure is too great; while the global collapse of the whole tunnel face occurs when the slurry pressure is too small. The failure mechanisms and critical slurry pressures obtained from both the multiblock model to numerical simulations are compared with each other.     

黏土中隧道垮落的塑性分析和数值模拟

~~黏土中隧道垮落的塑性分析和数值模拟@谢骏$伦敦南岸大学!伦敦~~     

Upper bound limit analysis of support pressures of shallow tunnels in layered jointed rock strata

With more and more large-span shallow underground projects being built in layered jointed rock strata, there is an increasing interest in the study of stability problems of such projects. The upper bound theorem of limit analysis has been found to be a valid method for analyzing such problems and it is crucial to ensure the accuracy of the failure mode when applying this method. In the present paper, for tunnels in layered jointed rock strata, 8 factors including the thickness of the weathered overburden, the states of the rock joints, and the depth of the tunnel were considered by analyzing the failure mode. By using the orthogonal array testing strategy and the distinct element method, 64 different numerical simulation models based on an actual tunnel project were simulated. The test results showed that the range of the loose zone was determined by the stretch, slippage, and fracture area of the joints. Two kinds of loose zone were obtained, i.e. the arch collapse loose zone and the caving collapse loose zone. The loose zone boundary was analyzed and fitted with linear and non-linear models; such as parabola and power function curves, respectively. The rational failure mode was studied by analyzing the recognition method, the classification, and the failure mechanism of the caving collapse loose zone. By using the liner least squares method, an empirical formula of the boundary of the caving collapse loose zone was obtained, and its boundary were divided equally with identical angles, then a kinematically admissible velocity field was established. Based on the virtual power principle and virtual work principle, the upper bound theorem of limit analysis was adopted to study the support pressures and a limit analysis model was established. A real tunnel project case was studied as an example, and the results were compared with the Terzaghi theory and the Fraldi theory, so as to demonstrate the applicability of the proposed method.     

浅埋软土隧道稳定性极限分析

稳定性分析在浅埋软土隧道工程设计中占有重要位置.本文应用极限分析理论的上限原理及有限元法求解隧道的稳定系数,明显改善了既有的上限分析结果,并且同下限分析结果很接近,因此可以更好地界定准确解的范围.此外,有限元优化的机动可容许破坏速度场有助于理解浅埋软土隧道的破坏机制.本文所用的有限元极限分析方法也适用于研究其他土体结构的总体稳定性.