三维应力状态下圆筒形巷道塑性区次生应力、半径和位移

现有的圆筒形巷道塑性区次生应力、半径和位移的理论解是基于Mohr-Coulomb准则推导而得，但是Mohr-Coulomb准则没有考虑中间主应力的影响。为此本文利用双剪强度理论分析了三堆应力状态下圆筒形巷道塑性区次生应力、半径和位移。计算表明圆筒形巷道在三堆应力状态下塑性区半径和位移比二维应力状态下更小，据此可充分发挥岩体自身的承载能力，对岩体工程具有重要意义。     

圆形硐室广义Hoek-Brown围岩弹塑性交界面上径向应力的近似解

基于广义Hoek-Brown剪切强度包络线与Mohr应力圆、Mohr-Coulomb强度直线均相切的几何性质,引进一个与瞬时内摩擦角有关的参数——最大剪应力模数,获得最大和最小主应力、潜在破坏面上的正应力和剪切力、Mohr应力圆半径和瞬时内聚力与该参数的函数关系,为轴对称平面应变条件下遵守广义Hoek-Brown破坏准则的圆形硐室围岩塑性区半径及重分布应力场的解答提供了简捷途径。通过弹塑性交界面上环向应力和径向应力之和一定的条件,结合最大剪应力模数与由弹塑性交界面上的径向应力与环向应力决定的Mohr圆半径间的关系,得到最大剪应力模数与正规化初始应力满足的非线性表达式,进而运用Newton-Raphson迭代法求得弹塑性交界面上的径向应力的接近于真实值的近似解,并研究弹塑性交界面上的瞬时内摩擦角、正规化瞬时内聚力和正规化径向环向应力比随正规化初始应力和Hoek-Brown物性参数的变化关系。结果表明,随着正规化初始应力的增大,相同岩体质量的围岩弹塑性交界面上的应力状态由近似单轴压缩过渡到两向压缩应力状态,瞬时内摩擦角逐渐变小,而正规化内聚力逐渐变大。     

基于Flac3D软件的某路堑开挖稳定性分析

铁路路堑稳定性是铁路安全的一个重要保障。本文利用Flac3D软件．基于Mohr—Coulomb屈服准则，对某铁路路堑进行了数值模拟计算，以确定其应力、位移状态及塑性区分布情况．进而分析和评价路堑安全性，最后得出Flac3D软件在铁路路堑稳定性分析中应用的合理性和适用性。     

横观各向同性冻胀寒区隧道应力与位移的塑性统一解

以统一强度理论作为寒区隧道冻结围岩塑性状态的判定依据,考虑中间主应力效应和横观各向同性冻胀对围岩强度的综合影响,建立了寒区隧道应力与位移的塑性统一解析解,给出冻结围岩塑性状态的判定方法,并对所得解答进行讨论、验证和参数分析。研究表明:统一解的正确性被有关文献的Mohr–Coulomb准则解答和外接圆Drucker–Prager准则解答所验证,具有广泛的理论意义和良好的工程应用前景;中间主应力对冻结围岩位移的影响显著,应考虑中间主应力效应以充分发挥寒区隧道的承载潜能;围岩不均匀冻胀系数和体积冻胀率的增加均导致冻胀力增大,使得寒区隧道稳定性降低,应采取有效保温措施予以缓解围岩冻胀效应。该结果可为寒区隧道设计提供一定的理论指导。     

巷道围岩塑性区的德鲁克-普拉格准则解

考虑到巷道围岩屈服与中间主应力有关,运用德鲁克-普拉格准则推出了圆形巷道塑性区半径及应力的解析解。结果表明,在考虑中间主应力的情况下巷道围岩塑性区增大,证明中间主应力对塑性区具有一定影响。因此,该理论成果弥补了以往理论未考虑中间主应力的不足,也为巷道围岩塑性区的理论分析提供了一种新的理论计算方法。     

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。     

基于Hoke-Brown准则的深埋圆形透水隧洞弹塑性分析

针对深埋圆形隧洞轴对称问题,将Hoke-Brown准则方程代入考虑渗透体积力影响的平衡微分方程进行求解,得到关于塑性区洞周应力的隐式方程,通过求解超越方程得到塑性区洞周应力数值解;再考虑应力重分布影响,利用塑性区半径处应力连续条件得到弹性区岩体应力数值解。将该解答与基于Mohr-Coulomb准则的解答进行了比较。结果表明,两种准则条件下岩体应力分布规律相似。采用Hoke-Brown准则计算时,塑性区较小,径向应力绝对值较大,塑性区环向应力也较大;采用Mohr-Coulomb准则准则计算时,塑性区较大,径向应力绝对值较小,塑性区环向应力也较小。在内外水头比值较小时,按Mohr-Coulomb准则求得的峰值应力较按Hoke-Brown准则求得值大,当水头比较大时则相反。     

基于应变非线性软化的圆形硐室围岩弹塑性分析

依据塑性力学全量理论,将岩体单轴压缩的非线性软化本构关系推广,得到复杂应力状态下圆形硐室围岩塑性区的等效应力与等效应变关系;籍以求得应变非线性软化的圆形硐室围岩塑性区半径、弹塑性区应力、应变和位移;进而求得相应情况下的硐室围岩平衡方程、地应力与硐室周边位移关系以及围岩压力方程。首次给出围岩弹性区承载力、塑性区承载力的表达式。     

SMP面应力状态图解法

空间滑动面强度准则(SMP准则)根据实体空间的SMP平面上应力状态判断确定试样是否破坏。该准则在三轴压缩和三轴拉伸情况下退化为Mohr–Coulomb强度准则。通过对实体单元的应力状态分析,讨论了SMP平面的空间位置以及SMP平面上应力状态,详细分析了SMP平面上应力状态点在三向应力莫尔圆中的图解方法。     

岩体三维精细本构理论与深埋隧道应力控制设计分析方法EI北大核心CSCD

向地球深部进军是必须解决的战略科技问题,深部岩体隧道的智能建造是当今隧道工程建设的重要发展趋势,采集精细化、分析精确化、控制精准化是智能建造的核心内容,也是制约深埋隧道高效、安全建造的主要瓶颈。传统计算模型没有反映深部岩体力学特征,模型参数主要由室内岩石力学试验或现场位移反分析确定,缺乏实时、快速、动态获取岩体参数并进行三维正分析和动态设计的方法;同时,现有的隧道工程设计分析思路主要是基于对变形的目标控制(变形控制),忽略了深埋隧道开挖过程中卸荷岩体应力分布和转移的过程调控(应力控制)机制。综合采用理论分析、数值模拟和试验测试等手段,研究高应力和复杂应力环境下深部岩体三维、非线性强度特征和力学行为,基于数字化原位测试获取岩体参数并进行三维(正)分析和动态设计,形成深埋岩体隧道三维设计分析理论和“应力控制”设计分析方法。本文主要创新成果包括:(1)改进了广义Zhang-Zhu(GZZ)岩体三维强度准则,克服了GZZ准则在高应力下的非光滑、非全凸的局限性,满足了深部岩体工程强度分析的需要。(2)建立了考虑围压和塑性剪应变的岩体峰后剪胀角模型,给出了模型参数(单参数)的正分析取值方法,提升了多参数岩体剪胀角模型在深部岩体工程中的适用性。(3)建立了考虑深部岩体三维强度和剪胀特性的非关联塑性流动法则及三维弹塑性数值计算方法,其正确性和可靠度得到了半解析解、模型试验和现场变形监测数据的验证。(4)提出了基于光滑GZZ强度准则的深埋圆形隧洞弹塑性半解析方法,揭示了深埋隧道轴向应力在塑性区的一致性软化规律,探讨了岩体质量、剪胀角、初始轴向应力、本构规律和强度准则对深埋隧道围岩稳定分析结果的影响。(5)提出了基于数字化原位测试的深埋岩体隧道三维正分析方法,克服了反分析方法和变形控制在深部岩体工程智能建造和动态设计中的局限性。(6)初步建立了深埋隧道应力控制的理论框架和设计分析方法,揭示了深埋隧道开挖面三维挤出变形规律和应力主轴旋转力学机理,阐明了中间主应力和三维应力状态对深埋隧道围岩稳定的力学影响机制,发现了超前核心岩体预挤出与预收敛变形的一致性规律。     

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。     

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。     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩三剪应力统一强度理论解

为了研究渗流、应变软化和扩容对巷道围岩稳定性的影响,首先根据三剪应力统一强度理论建立了平面应变状态下的屈服方程,将巷道围岩从外往内依次划分为弹性区、塑性软化区、破碎区,然后综合考虑渗流影响、应变软化、扩容以及塑性软化区和破碎区内弹性应变的2种情况,推导了各个区应力、位移以及塑性软化区和破碎区半径的三剪应力统一强度理论解...     

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。     

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。     

平面三向应力场中隧洞位移解及变化规律研究

为了揭示复杂应力场中隧洞围岩位移变化规律,基于平面三向应力场中圆形隧洞析解理论,推导了平面三向应力场中隧洞围岩位移解析解,并通过Matlab软件编程,研究了围岩位移随应力场环境的变化规律.结果表明:平面三向应力场中各因素对塑性区半径的影响规律与双向应力场中相似;平面三向应力场中当应力场比例系数λ1=1.0,λ2从1.0...     

交叉隧道围岩收敛和应力分布规律研究

交叉隧道数值模拟的研究很多,由于Y型隧道的设计施工复杂,目前还没有人进行数值研究。以南梁隧道中两条单线隧道合并为一条双线隧道的Y型交叉为背景,首先根据非线性Hoek-Brown准则得到岩体参数,然后用FLAC-3D根据该交叉段的施工方法进行三维数值计算,在不同的位置布置不同的观测面,探讨了单线隧道合并为双线隧道过程中各个观测面的变形破坏规律。综合多个观测面分析隧道开挖引起的位移、应力变化发现:随着单线隧道距离缩小,相互影响加剧,围岩压应力拉应力加大,位移变大,并且增加幅度渐渐变大,变化幅度最大为44.8%,合并为双线大概15 m后位移和应力都趋于稳定。     

考虑中间主应力影响时的圆筒形孔扩张问题的弹塑性解

Tresca强度理论、Mohr-Coulomb强度理论在求解圆筒形孔扩张问题时的弹塑性解并没有考虑中间主应力的影响。本文首次考虑中间主应力影响时求解圆筒形孔扩张问题的弹塑性解。计算表明考虑中间主应力时圆筒形孔的塑性区半径有明显减少。据此可以充分发挥岩土体自身的承载能力，对岩土工程有重要意义。     

挤压性围岩隧道大变形机理及分级标准研究

结合高地应力条件下挤压性大变形隧道--乌鞘岭隧道工程实例,通过变形的现场量测结果,分析了挤压性围岩隧道大变形的基本特征。采用室内试验及现场量测等手段,综合分析确定了围岩物理力学参数,定量分析了洞室周边产生塑性区的条件、塑性区及洞壁位移的影响因素、塑性区半径与洞壁位移的关系。以现场量测数据为依托,结合理论计算,参考以往类似隧道经验,分别考虑了围岩的相对变形、强度应力比、原始地应力、弹性模量作为分级指标,并提出了综合系数α指标,采用综合指标判定法给出了大变形的分级标准,以及相应的防治措施。