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。     

基于Hoek-Brown准则西原模型的圆形隧洞黏弹塑性解

为进行流变围岩圆形隧洞工程应力、应变分析,将Hoek-Brown强度准则引入到西原流变本构模型,同时在力学模型中考虑掌子面推进效应和支护阻力对围岩应力释放率的影响,得到了支护条件下基于Hoek-Brown准则西原模型的圆形隧洞黏弹塑性解。通过锦屏二级水电站引水隧洞案例验证解析方法的可靠性,并进行了塑性区半径和围岩变形的影响因素定量分析。研究结果表明:(1)基于Hoek-Brown准则的西原模型更能反映实际隧洞工程岩体流变特性,建立的解析方法能够考虑围岩应力释放效应和塑性体积扩容特征对围岩变形的影响,其计算结果与实际监测数据吻合良好;(2)围岩应力释放系数、Hoek-Brown准则参数s、原岩应力和隧洞半径对塑性区半径的影响较大,是判断流变围岩隧洞稳定性的主要考虑指标,相对而言,岩石单轴抗压强度和Hoek-Brown准则参数m对塑性区半径的影响较小;(3)引入围岩扩容系数后,围岩位移量显著增加,但基本不影响围岩流变变形曲线形态和塑性区半径,从洞壁向围岩内部延伸,围岩扩容系数对围岩变形的影响越来越小。     

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。     

断面形状对隧洞围岩位移和应力的影响分析

利用FLAC软件系统分析圆形断面、矩形断面、直墙式断面以及曲墙式断面形状隧道围岩位移、塑性区和应力的集中分布规律,对4种断面形状进行优选,结果显示,圆形断面隧洞围岩位移、应力集中系数、塑性区厚度均最小,表明其支护受到的围岩压力也最小,其次为曲墙式断面,结合隧洞的使用空间及经济效益等因素,建议选用曲墙式断面。     

高地温水工隧洞节理围岩温度场及塑性区特性研究

高温效应及其围岩节理结构特征对隧洞稳定的影响是高地温隧洞设计的关键问题。文章基于高地温隧洞现场温度及位移数据,分析高地温隧洞节理围岩温度变化特性。同时采用离散元方法模拟不同高温、不同节理结构特征隧洞围岩温度场、位移场规律及塑性区分布范围。结果表明：相对于完整围岩,节理围岩减少了隧洞围岩变温区的面积,并且节理倾角越靠近水平方向或竖直方向对温度场的影响越大。节理围岩在一定程度上可阻止变形位移量。热力耦合作用下节理围岩塑性区面积仅是地应力作用下塑性区面积的2倍左右,且节理倾角与竖直方向夹角越小,节理围岩的塑性区面积越大。当节理倾角为90°时,节理围岩的塑性区面积最大。     

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。     

基于抛物线型Mohr强度准则的隧洞弹塑性分析

基于具有抛物线型Mohr强度准则,分析渗流作用下隧洞的弹塑性力学行为。通过考虑和不考虑渗流场影响的实例对比分析,结果表明:考虑渗流场时所得塑性区半径比不考虑时大,而且随着孔隙水压力的增大,渗流场的影响越来越显著;隧洞径向应力和切向应力都与渗流场密切相关。所得结果可为强度包络线近似于二次抛物线的围岩隧洞设计提供理论依据。     

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。     

输水隧洞穿越典型断面围岩结构安全分析

复杂地质条件是影响TBM输水隧洞结构安全的重要因素，以某引水工程中输水隧洞为研究对象，理论推导了渗流—应力全耦合作用的数学模型，针对TBM输水隧洞穿越断层和最大埋深段，建立三维有限元模型，计算分析围岩初始地应力场、渗流场，以及不同工况下围岩位移、塑性区和应力的分布规律，研究结果表明：初始地应力和孔隙水压力随着埋深的增加而增大，最大埋深处和断层处初始地应力分别达到1.342MPa、0.680MPa,孔隙水压力分别达到0.260MPa、0.200MPa;开挖过程中，断层和最大埋深段隧洞拱顶沉降量基本接近，相对差值仅为0.11%,而拱底抬升量差值较大，达到31.28%;断层处围岩塑性区主要出现在隧洞两侧，最大深度为2.920 m,最大埋深处围岩塑性区主要出现在隧洞拱顶，最大深度为8.627 mm;围岩最大压应力在断层和最大埋深段分别为7.987MPa、6.510MPa;内水压力作用，围岩位移和最大压应力相对于开挖阶段均有一定程度的降低。     

考虑地下水渗流影响的衬砌隧洞弹塑性分析

考虑地下水渗流场的作用,将含水围岩作为两相介质体,视外水压力为渗透水作用在围岩和衬砌应力场中的体积力,分别考虑围岩与衬砌的渗透系数,并基于岩体应变非线性软化特征,对衬砌隧洞进行弹塑性分析,得到了渗流场作用下围岩与衬砌的应力和位移解析计算式,并得到围岩开始产生屈服的极限应力。计算表明,当考虑渗透水压力作用时,围岩径向应力和切向应力都增大,并使围岩塑性区扩展;当隧洞围岩、衬砌材料的渗透系数差异显著时,不能简化为等渗透系数处理。     

基于德鲁克-普拉格准则的围岩损伤区渗透系数研究

利用损伤力学,考虑了中间主应力作用,应用德鲁克-普拉格准则,推导了圆形巷道围岩应力场的解析解,给出了围岩渗透系数的表达式,并对孔隙水压力和围岩塑性区域半径与渗透系数之间的关系进行了研究。研究表明：在损伤区域范围内,渗透系数 K随着r 的增加呈非线性减小,随着孔隙水压力 p 的增大呈指数增加。研究成果可为巷道在渗流作用下变形破坏计算及稳定性分析提供理论依据。     

基于全量理论的洞室围岩抗力系数计算

视衬砌在内压力作用下与围岩共同承载联合工作,采用全量理论将岩体单轴应变非线性软化本构模型推广,得到复杂应力状态下岩体等效应力和等效应变关系,将围岩划分为松动区、塑性区、弹性区,对衬砌压力隧洞在等压荷载作用下进行弹塑性分析。在推导出围岩松动区、塑性区、衬砌内任一点的应力和位移解析计算公式基础上,得出了不同工况下围岩抗力系数计算公式,该围岩抗力系数计算公式不仅考虑了中间主应力的影响,而且与已有的围岩抗力系数计算公式相通。     

高外水隧洞变形稳定性的基质压缩效应

深埋水工隧洞通常会面临高地下水位问题,为准确分析高外水隧洞围岩变形稳定性,需合理模拟外水内渗的力学作用。现阶段,学者们虽已认识到在饱和岩体渗流-应力耦合分析中考虑岩石基质压缩的必要性,但针对岩石基质压缩对高外水隧洞变形稳定性影响的相关研究尚未见报道。基于饱和多孔介质有效应力原理和孔压修正系数,并考虑围岩渗透特性动态演化,建立了高外水隧洞渗流-应力耦合分析模型,并在ABAQUS中进行了数值实现。依托某深埋引水隧洞,在分析其渗流场和变形稳定性的基础上,开展了不同岩石基质可压缩性条件下的高外水隧洞渗流-应力耦合分析,揭示了高外水隧洞围岩变形稳定性随岩石基质可压缩性的变化规律。结果表明：岩石基质压缩直接影响着高外水隧洞的外水内渗过程,对高外水隧洞围岩变形稳定性不利,岩石基质可压缩性越大,则围岩变形和塑性区范围越大,在分析中忽略岩石基质压缩将得出偏于危险的结果。     

富水黄土隧洞加固方式对其力学响应的影响

依托某富水黄土隧洞,应用有限元分析软件对常水位作用不同工况下洞周围岩渗流场和位移场进行了模拟,对开挖过程中不同加固方式对洞周围岩的响应(渗流场、应力场和位移场)进行了研究。结果表明:洞周加固体的渗透性能对围岩的渗流路径、孔隙水压力和流速都有较大影响,对隧洞周围土体位移也有影响。在进行富水黄土隧洞注浆加固材料设计时,既要考虑材料的阻水效果,同时还要考虑加固体阻水后导致的土体孔隙水增加引起的土体抗剪强度的降低效应。     

深埋高地应力引水隧洞节理围岩稳定性研究

在深埋隧洞开挖过程中,高地应力和结构面发育是控制洞室围岩稳定的关键问题。针对深埋高地应力引水隧洞节理围岩稳定问题,以新疆某深埋高地应力引水隧洞为工程依托,利用水压致裂法和三维水压致裂法对地应力进行现场监测与分析,采用离散元软件3DEC模拟围岩应力场、塑性区以及位移场的变化情况,研究了深埋高地应力下引水隧洞节理围岩的稳定性问题。结果表明:实测得最大主应力在12.4~12.9 MPa范围内,模拟得洞室附近出现0~2.1 m的塑性区,最大位移值为25.1 mm,最大压应力为13.2 MPa,最大拉应力为1.32 MPa,洞室的侧墙和拱底部位的塑性区、位移值较大且出现局部小范围拉应力。结合本文具体工况和实测地应力资料,通过强度理论的方法进行岩爆分析研究,由Russenes岩爆判别式得无岩爆发生,节理岩体处于稳定状态,但随节理裂隙发育,侧墙和拱底易出现破坏,建议采用2.5 m锚杆进行加固。模拟结果与实测结果较为一致,研究成果为工程施工提供参考。