衬砌压力隧洞的弹塑性分析

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,对衬砌圆形压力隧洞在等压荷载下进行弹塑性分析,对弹塑性边界位置在村砌范围内和围岩范围内分别进行了讨论,指出根据弹塑性边界位置的不同应采用不同的计算公式,并得到了由隧洞开挖卸荷引起的、围岩开始屈服时的极限压力以及内压力作用下分别使衬砌、围岩开始屈服时的极限压力。     

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。     

水工压力隧洞弹塑性应力计算

本文根据岩体强度试验结果,注意到水工圆形隧洞在均匀内压力作用下环向应力σ恒为拉应力,径向应力σ_r恒为压应力这一特征,重点考察被人们忽视的岩石拉应力区莫尔——库仑包络线,建立了水工圆形压力隧洞衬砌与围岩的弹塑性应力计算方法,给出了水工圆形压力隧洞衬砌与围岩加载应力和卸载残余应力解析表达式,纠正了莫尔——库仑包络线拉应力区在水工压力隧洞研究中长期被忽视所造成的错误。文中算例表明衬砌内的卸载残余应力均为拉应力。     

考虑渗流-应力耦合效应的深埋引水隧洞衬砌损伤演化分析

高地应力和高(外、内)水压力是影响深埋引水隧洞围岩稳定性及衬砌结构安全性的主要因素.基于等效饱和多孔介质理论,将裂隙岩体和衬砌混凝土视为具有透水特性的弹塑性损伤材料,并考虑各自的变形特性与渗透系数的动态演化规律,进行锦屏二级水电站深埋引水隧洞围岩与衬砌结构施工期和运行期渗流-应力全耦合分析.分析结果表明:施工期隧洞周边排水对开挖损伤区影响较大,内水外渗现象对地下水位和围岩结构的安全性影响不大,但内水外渗情况下隧洞的开挖损伤区对衬砌结构较为不利,将导致该部位混凝土出现拉损伤区和压损伤区,应对开挖损伤区采取一定的处理措施.     

Hoek-Brown岩体中轴对称隧洞渐变扰动分析

现有的Hoek-Brown(HB)岩体地下开挖分析模型中,常将通用HB准则(2002版)的扰动因子D取为一固定值,与之不同之处在于将该因子从洞室开挖面至弹塑性分界面按渐进衰减考虑。结合非线性的非关联流动法则,给出了轴对称隧洞的临界支护压力、塑性区半径、应力和位移评价公式,相应的值可通过数值积分法获得。对节理岩体中洞室开挖爆破损伤和应力释放所致的渐变扰动分析,所提模型实质是对围岩塑性区软化问题的描述。算例表明,模型对D进行不同处理,也可得到轴对称隧洞理想塑性和弹脆塑性情况的分析解,为实际工程检验爆破开挖面附近岩体渐变扰动程度提供了理论解参考。     

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。     

深埋软岩隧洞中的软弱带效应分析

采用考虑围压效应的大理岩弹塑性耦合力学模型和基于Mohr-Coulomb准则的绿泥石片岩理想弹塑性模型,对深埋夹软弱带隧洞的围岩稳定性进行了数值模拟和理论分析,主要结论有:(1)当掌子面开挖至软弱带时,掌子面上的软弱岩体突出并不断塌落,掌子面后性质较好的围岩内产生了较大的塑性区,而掌子面前方围岩稳定性较好;(2)软弱带厚度对掌子面软弱带的塑性区影响较大,而对掌子面后方和前方围岩的稳定性影响不大;(3)岩体存在多软弱带时,当掌子面开挖至软弱带时,掌子面处软弱带内的塑性区与单软弱带时相同,而性质较好的围岩内产生了一定范围的塑性区。     

隧道透水性衬砌环渗透系数合理取值与工程措施探讨

应用地下深埋隧道渗流场和考虑渗透体积力的弹塑性解,结合某工程实例分析衬砌与围岩渗透系数不同比值对隧道渗流场、渗漏流量、塑性区、位移和衬砌围岩压力等影响规律,探讨透水性衬砌的可行性和合理渗透系数取值。实例分析表明,当衬砌为不透水材料时,洞周围岩中孔隙水压、塑性区、塑性区边缘的位移和衬砌承受的围岩压力均最大;若稍增加衬砌渗透性,则孔隙水压、塑性区、塑性区边缘的位移和衬砌承受的围岩压力迅速减小;随衬砌渗透系数与围岩渗透系数比值的逐渐增大,趋于稳定值。分析结果进一步表明,采用透水性衬砌是可行的,且当衬砌渗透系数与围岩渗透系数比值等于或大于1.0时较为合理。最后,针对洞周环境要求的渗流量以及钢筋混凝土衬砌的耐久性问题提出衬砌环的设计思想,并探讨具体工程措施,以便工程设计参考。     

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。     

隧道围岩压力的弹塑性新解

在隧道衬砌设计中,围岩压力通常是最主要的荷载,也是最难以确定的荷载。围岩压力的弹塑性理论研究也从未间断。经典的芬纳公式和修正芬纳公式由于塑性区半径的不确定性而限制了其实际工程应用。以修正芬纳公式为基础,考虑围岩与衬砌的共同作用,在未作塑性区体积不变的假设条件下,推导得到塑性区半径的理论计算方法,从而可以直接应用修正芬纳公式计算围岩压力,为隧道衬砌设计提供指导。     

饱和土体柱形扩孔时大变形不排水统一解析解

 将柱孔周围的土体分为弹性区和塑性区,在弹性区中采用小变形理论,在塑性区中采用大变形理论和统一强度准则。根据应力平衡方程、应力和应变连续的边界条件,推导出考虑土体大变形和不排水时柱形扩孔问题的塑性区半径、极限扩孔压力和超孔隙水压力的理论解答。理论计算结果与现场实测结果较为接近,说明该理论具有一定的参考价值。通过计算分析还可知：扩孔压力随着参数b的增大而非线性增大,而超孔隙水压力则正好相反。     

锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定分析及支护设计

锦屏二级水电站引水隧洞地处高山峡谷地区,埋深大、洞线长,高地应力、高外水压力问题突出。按照围岩是地下工程中主要的承载结构这一设计思想,应用弹塑性有限元法分析了锦屏二级水电站引水隧洞开挖及支护过程中围岩的变形规律与特征、围岩应力分布及其变化规律、塑性区范围,比较研究了不同渗控方案对隧洞围岩和衬砌的工作状态的影响,得出了一些对高地下水位条件深埋引水隧洞的支护设计有普遍意义的结论。     

结构性黄土深埋盾构隧道围岩力学特性研究

盾构施工会破坏黄土结构性,为探求黄土结构性变化对盾构隧道围岩力学特性的影响,引入应力比结构性参数对摩尔-库伦强度准则和芬纳公式进行修正,通过建立黄土围岩和管片之间力和位移的连续条件,对围岩塑性区半径进行了求解,并对解析解进行了对比验证,最后分析了关键参数对围岩力学性态的影响。结果表明：(1)太沙基土压力公式计算结果介于解析解上限值与下限值之间;(2)随着应力比结构性参数的增大,对应的塑性区半径和围岩压力值在不断减小;(3)随着覆跨比的增加,塑性区半径不断减小,围岩压力值不断增大,当黄土结构性比较强时,隧道覆土厚度达到一定值之后围岩压力解析公式才适用;(4)围岩压力和塑性区半径与开挖半径近似呈线性正相关关系。     

矩形断面巷道冲击地压机理研究

基于顶板剪切梁模型研究矩形巷道冲击地压发生问题,得到矩形断面巷道发生冲击地压的临界塑性软化区深度和临界载荷,分析巷道宽度、巷道高度或煤层厚度、顶板厚度等几何因素,以及煤层与顶板刚度比、煤的模量比、煤的强度参数、侧压力系数和水平应力分布指数等煤岩力学性质因素对临界条件的影响规律。结果表明:巷道顶板岩层以剪切变形破坏为主,当临界塑性区深度与临界载荷较小时,易于发生冲击地压,其发生频度较高,强度较小,破坏性较小;反之,冲击地压不易发生,其发生频度较低,一旦发生其强度会较大,破坏性较大。临界塑性区深度与巷道宽高比、初始黏聚力的大小无关,随顶板厚度、刚度比、模量比、水平应力分布指数的增加而增大,随煤层塑性软化刚度、内摩擦角、侧压力系数的增加而减小。临界载荷随巷道宽高比、煤层塑性软化刚度、水平应力分布指数的增加而降低,随顶板厚度、刚度比、模量比、初始黏聚力、内摩擦角、侧压力系数的增加而增大。     

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...     

防水隔离煤柱结构分区及合理宽度确定

 在现有煤柱合理结构分区的基础上,将其结构分为塑性区、弹性核区、水压破坏区。为求得各区宽度,首先,应用极限平衡理论和抛物线型强度理论,采用分离变量法确定了塑性区宽度;考虑矿压、水压作用,选用统一强度理论,采用半逆解法,确定了弹性核区宽度;考虑水的浸润软化作用,确定了水压破坏区宽度。之后,通过与以往经典模型各分区计算公式对比,验证了模型的合理性。最后,通过超声波探测技术,测量了煤柱内部的物理形态分布,验证了模型的正确性,并将研究成果应用于董家河煤矿防水隔离煤柱设计中,为煤矿安全高效生产提供了理论依据。     

砂土中柱孔扩张问题的扩孔压力与扩孔半径分析

 通过SMP屈服准则,对砂土中柱孔扩张问题进行理论分析。以柱孔扩张理论为基础,利用孔周土体塑性区的边界条件和土体体积变化规律,推导柱孔扩张问题中初始半径a0,扩孔半径a和对应的扩孔压力p三者之间的理论关系。利用上述理论公式,得到平面应变条件下柱孔扩张问题的扩孔压力的极限值pu和孔周土体的弹塑性区域应力场、位移场,进而求得塑性区半径rp与扩孔压力p和初始孔径a0的关系。分析表明,该应力场和位移场分布规律仅与柱孔的初始半径a0和扩孔压力p相关。此外,应用应力场公式,推导散体材料桩极限强度表达式。最后通过算例分析,对柱孔扩张中应力场和位移场分布、塑性区半径和扩孔压力的变化规律进行分析。