考虑中主应力和剪胀的深埋圆形隧道黏弹塑性蠕变解

深埋圆形隧道的开挖支护是与时间相关的复杂力学过程。为了描述这一过程,假设隧道围岩为Burgers体与Drucker-Prager准则组合的黏弹塑性模型。隧道开挖支护完成瞬时围岩表现为弹塑性,此时考虑中主应力的影响,推导出原岩应力和支护反力共同作用下的应力场;随后,假设此应力场保持不变,隧道围岩表现出随时间变化的蠕变性能,进一步推导出深埋圆形隧道考虑剪胀性能的围岩蠕变位移解析式;结合实际算例,分析围岩剪胀角与支护反力对深埋圆形隧道围岩蠕变位移的影响规律。结果表明,剪胀角的变化会对隧道围岩蠕变位移产生较大影响,而支护反力并不能完全控制高地应力作用下的深埋隧道围岩位移随时间的持续增加。     

基于损伤理论的隧道围岩松动圈确定方法

针对岩体的应变软化特性,基于双线性损伤模型和应力等效原理,推导了卸荷围岩应力状态的损伤理论解析解,进而分析了隧道开挖后围岩应力随径向距离的分布特点,从而将卸荷后的围岩分为四个区域,即完全损伤区、非完全损伤区、弹性区和原岩应力区.根据围岩的实际破坏特点,采用两种不同的方法对完全损伤区的应力解进行了修正.通过对隧道围岩应力...     

功互换定理研究土质隧道开挖引起的地面沉降

介绍基于功互换定理计算土质隧道开挖引起地面沉降的弹塑性方法。首先构建浅埋圆形隧道两组具有独立受力状态的计算模型,并分别给出两组弹性和弹塑性状态下应力、应变和位移解析,然后利用由虚功原理推导的弹塑性Maxwell-Betti功互换定理建立该隧道开挖引起地层损失率VL的解析表达式,最后将其引入Peck公式即可得到相应地面沉降的表达式。将该方法与Sagaseta法等4种方法对某土质隧道理想化模型进行地面沉降预测的比较分析,及在4个隧道工程实例的应用发现:其与Sagaseta等其他方法一样可应用于预测隧道开挖引起的地面沉降;考虑围岩塑性变形的地面沉降结果比基于弹性分析的Sagaseta法和Verrijt-Booker法偏大;该方法计算结果更接近实际监测沉降值。分析表明:该方法能较好反映开挖围岩弹塑性变形对地面沉降的影响,并在工程应用上具有一定的合理性和可靠性,尤其适用于围岩土质较硬且分布均匀的浅埋隧道。     

隧道开挖地层反应曲线的外显分析

收敛-约束法理论是应用于隧道支撑设计的简化分析方法,所使用的约束损失是该分析方法的关键因子.基于隧道开挖前进效应与约束损失的关系,建立隧道掘进效应函数,并采用约束损失的递增方法与简易试算表工具,同时依据应力-位移力学理论模式,推导在静水应力条件下圆形隧道开挖于弹塑性地层的解析解,进而提出模拟地层反应曲线弹塑性非线性行为的外显分析法.其分析结果包含约束损失递增方法的计算内容与步骤说明,以及约束损失弹性极限值、塑性半径、弹塑性区的径向应力与径向位移.此分析法与研发的有限元分析结果比较显示,二者呈现相似且一致的非线性趋势.     

关于圆形隧道卡斯特纳公式的讨论

隧道围岩的应力及变形是隧道力学中的基本问题,它直接影响到隧道的安全评价及施工支护措施。20世纪50年代提出的卡斯特纳公式,描述了圆形隧道的塑性区半径和塑性区的应力分布规律,公式已成为隧道力学分析的理论基础。以满足莫尔-库伦准则或Mises准则的理想弹塑性材料为例,按照塑性力学加卸载准则,证明了圆形隧道的开挖过程是加载过程,支护过程是卸载过程;对圆形隧道开挖和支护过程进行了弹塑性FLAC有限差分数值计算,同时针对外压和地应力均为0、内压值为支护应力的隧道进行弹性分析。结果表明,围岩的应力分布在开挖后与卡氏公式相符,但在支护后则与卡氏公式不符。弹塑性分析中,支护引起的围岩应力增量及位移增量分别与弹性分析中的应力和位移相同。因此在涉及塑性变形的隧道力学分析中,卡氏公式只适用于开挖阶段,不适用于支护阶段。     

深埋隧道开挖过程动态及破裂形态分析

 地下工程开挖过程中,在洞室围岩中会产生拉压交替变化区,当地应力过大时,会产生分区破裂化现象。为了解释洞室围岩拉压交替变化和分区破裂化现象,根据隧道开挖卸荷这一动力学特征,建立隧道开挖过程的动态分析力学模型和计算模式,由此导出由开挖卸荷引起的扰动应力、扰动应变和扰动位移满足的平衡方程、物理方程、几何方程和边界条件。根据实际的位移约束条件,假设位移试函数,利用Hamilton时域变分原理,考虑时域变分条件和约束变分条件导出围岩体的积分–变分方程组,建立该方程组的模态矩阵。在给定开挖卸荷路径和零初始条件下采用Duhamel积分,得到离散振动方程组的稳态响应。通过矩阵变换,得到隧道围岩体扰动应力、应变和位移的解答函数式。算例分析表明,所给出的理论和方法能正确地反应出隧道开挖引起围岩内的动态过程,并能有效地对开挖引起的围岩的破坏形态进行评价。     

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。     

确定椭圆形隧洞端头锚固锚杆轴力的解析方法

岩石锚杆作为一种简单有效的支护手段,已被广泛应用于隧道和采矿等工程中。目前利用解析方法只对圆形隧洞端头锚固锚杆进行了力学分析,基于深埋椭圆形隧洞围岩内任意点作用有集中力的解析函数,推导出应力和位移的精确解析解,并给出显式表达式。通过叠加原理获得多个集中力作用下的应力和位移显式表达式,并考虑隧洞开挖引起的位移,根据变形协调条件建立了求解端头锚固式锚杆轴力的线性方程组,获得锚杆无预紧力和有预紧力2种情形下每根锚杆所承受的轴力分布规律。并使用ANSYS有限元软件对所获得的解析解进行对比验证。分析了锚杆刚度、锚杆长度以及预紧力对锚杆轴力的影响。     

三心圆拱断面隧道围岩黏弹性位移解及应用

基于弹性力学的复变函数方法和弹性-粘弹性对应原理,将物理平面(z平面)上三心圆拱断面隧道围岩区域映射到计算平面(ζ平面)上单位圆外域,并用2个应力函数表示围岩的应力、位移及其对应边界条件。考虑临近开挖面的空间影响效应,将其以应力释放率表示,运用幂级数解法、Laplace变换等手段给出了三心圆拱断面隧道围岩的粘弹性位移解析解,并与数值解对比验证了理论解的正确性。将该方法应用于杨林隧道,分析了围岩粘弹性变形规律,揭示了隧道开挖面推进速度、空间影响效应、侧压力系数对隧道围岩粘弹性位移的影响规律,对类似断面隧道围岩粘弹性变形分析具有普遍应用价值。     

围岩稳定性评判方法适用范围探讨

基于修正芬纳公式建立了围岩稳定性评判新方法,该方法基于轴对称模型建立径向位移解析表达式。轴对称的基本假定就是圆形洞室,静水压力和均匀初始应力场,各向同性和均匀围岩条件。通过系统分析轴对称假定条件的偏差范围对围岩稳定性判断方法的适用范围进行研究。基于经典的遵循莫尔-库仑屈服准则理想线弹塑性围岩中的洞室开挖问题,分析了各项异性和非均匀性的初始应力场及城门洞型洞室对洞壁变形的影响。研究结果对围岩稳定性评判方法的合理使用范围、精度与轴对称围岩条件提出了量化评价范围。     

基于开挖面空间效应的围岩–支护相互作用机制

 根据开挖卸荷的概念和开挖面空间效应原理,提出围岩弹塑性变形二次释放的概念,建立基于开挖面空间效应和围岩弹塑性变形二次释放的力学模型,研究围岩–支护之间的相互作用。通过引入围岩与支护在其作用面(接触面)上必须满足的2个协调条件即应力协调和位移协调,实现对围岩–支护相互作用达平衡状态时的求解。建立基于开挖面空间效应及围岩–支护相互协调作用的支护结构设计方法。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩变形与破坏特征分析

 结合地质、监测、物探及施工资料,对地下厂房施工期围岩的变形与破坏特征进行分析。分析结果表明,高地应力和低强度应力比条件下,围岩的变形不再主要由地质结构面的张开变形构成,由岩块破坏产生的变形所占比重增加。围岩的变形量级和松弛深度相对较大,边墙的主要松弛深度为12～15 m,部分大于15 m。围岩变形量级与松弛深度成正比,而松弛深度呈现出渐进扩展的趋势,因此变形的时效性应理解为围岩破坏的渐进扩展过程,与常规的流变概念存在差别。主厂房及主变室下游拱腰部位混凝土喷层鼓胀性裂缝是层状岩体在高应力条件下的卸荷劈裂和向临空面的屈曲破坏的结果,这种破坏导致下游拱脚部位位移测值的增大。主变室上游边墙混凝土喷层裂缝表现为张性开裂,主要原因是母线洞开挖后岩体应力集中导致的岩体压裂破坏。在高地应力条件下,地下洞室群开挖是否可采用“先墙后洞”的施工方案是一个值得探讨的问题。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

并设小净距隧道中岩墙力学特征及加固措施研究

采用二维弹性、弹塑性数值计算方法,对Ⅲ~Ⅴ级围岩条件下平行布设的双洞隧道中夹岩墙受力、变形特点随隧道间距变化的情况进行了研究。研究表明,对于两隧道间距较小的小净距隧道,中夹岩墙的受力、变形极为不利,是设计、施工和监控量测的关键部位。同时,研究了不同隧道埋深以及不同岩柱加固措施对小净距隧道中夹岩墙受力、变形特点的影响,为小净距隧道的支护设计、开挖方式选取、岩墙加固方式选取以及现场监控量测方案制定等提供参考。     

不同TBM掘进速率下洞室围岩开挖扰动区研究

 在不同卸荷速率下三轴加卸载室内试验成果的基础上,以Hoek-Brown经验强度准则为依据,拟合出在不同卸荷速率下板岩的力学参数(黏聚力和内摩擦角)。在分析TBM掘进特点的基础上,提出能反映其特点的数值模拟方法,并在FLAC3D程序中引入加卸载准则,对不同掘进速率下隧洞围岩的开挖扰动效应进行数值模拟研究。结果显示：掘进速率越快,围岩开挖扰动效应越小,围岩越稳定;隧洞围岩在开挖后变形较为均匀;在隧洞的径向,位移和应力变化较为明显的呈现为3个区域,即强变化区、弱变化区和平稳区;最大主应力随着洞径方向逐渐由单向应力状态向二向应力状态和三向应力状态转变,第二偏应力不变量在隧洞轴向方向形成一闭合的应力集中区域,称为“应力墙”,该区域在TBM掘进过程中对刀头切割岩体达到破岩的效果极为有利;隧洞围岩开挖扰动区随TBM掘进速率变化较大,当掘进速率增加一倍后,其扰动区由1.1 m降低到0.4 m,减小了64%。     

使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷过程的试验系统

 为了实现在实验室进行巷道(隧道)开挖卸荷过程的模拟,获得对围岩试件进行开挖卸荷试验的创新性监测方法与成套试验技术,研制了一套可以使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷路径的试验系统。该系统主要由3个独立的子系统组成：(1) 系统I：SAM–3000型微机控制电液伺服岩石三轴试验系统;(2) 系统II：小型巷道围岩试件加、卸载腔;(3) 系统III：声波–声发射一体化测试系统。通过对3个子系统进行软、硬件集成与调试,获得了小型巷道围岩试件级别(高290 mm,外径200 mm,内径100～150 mm)的开挖卸荷过程的室内模拟与再现。使用小型巷道围岩试件进行了初步的开挖卸荷试验研究,结果表明,所构建的试验系统可以有效地模拟：巷道围岩的开挖卸荷条件;巷道围岩在开挖卸荷条件下的变形规律、应力分布特征和破坏机制等。     

岩体开挖过程中初始应力的动态卸荷效应研究

提出了边坡、地下洞室开挖施工过程中岩体初始应力动态卸荷的概念。以龙滩水电站地下厂房开挖为例，比较了爆破荷载和岩体初始应力动态卸荷对岩体的动态影响。计算结果表明：（1）在中高地应力区，岩体开挖过程中初始应力场的动态卸荷可能是引起岩体松动的重要因素之一；（2）虽然炮孔近区的损伤主要是由爆破荷载引起的，而远区的忪，力则可能由岩体初始应力的动态卸荷引起；（3）初始应力卸荷越快，其引起的松动范围越大。