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。     

黏土不排水条件下浅埋隧道稳定性上限有限元分析

黏土地层不排水条件下浅埋隧道稳定性分析和地层破坏模式的研究对于设计、施工以及理论进展具有重要意义.基于现有极限分析上限有限元理论,采用三角形常应变率单元离散计算区域,且在所有单元之间均设置速度间断线,并将莫尔-库仑屈服准则利用外接多边形进行线性化处理,以形成线性规划模型.利用Matlab编制上限有限元计算程序.通过对黏性土地层不排水条件下浅埋隧道稳定性模型进行网格单元划分,采用上限有限元得到较优的隧道稳定性系数计算值,并与已有文献进行对比分析,验证计算结果的可靠性.同时,分析塑性流动破坏发生时,黏土地层不排水条件下浅埋隧道破坏模式的具体形态特征.对隧道稳定性系数的影响因素进行讨论,并分析参数取值不同时,地层破坏模式形态的演变规律.     

多洞并行隧道围岩稳定性与破坏模式极限分析

受交通廊道的空间限制，隧道工程逐渐出现了多洞并行的布设形式。当相邻隧道净间距较小时，建设期间可能出现相互影响，降低围岩稳定性。将该课题简化为平面应变条件下的多洞并行等间距毛洞隧道围岩稳定性问题，应用刚体平动运动单元上限法开展计算分析，获取失稳临界状态下围岩稳定系数曲线和滑移线网破坏模式的定量数据，揭示围岩稳定性与潜在破坏模式随强度参数、隧道埋深H和多洞净距S等因素间的演化规律。研究结果和已有双洞并行隧道的对比分析表明：净间距S大于转换间距Str后，二者均表现为单洞独自破坏形式，且稳定系数Ncr数值吻合较好；而净距S较小时，多洞并行隧道围岩表现为上方整体下沉条件下的中夹岩破坏，较之双洞并行情况围岩稳定性大大降低。研究结果可为多洞并行隧道围岩稳定性评价及加固方案制定等工作提供数据支撑。     

黏土地层隧道开挖面三维稳定性上限分析

对不排水均质黏土地基隧道开挖失稳三维破坏模式进行改进,弥补了目前隧道开挖稳定性问题中三维极限分析上限法的不足。采用截椭圆柱体构造多块体平动破坏模式,克服了现有三维多块体平动破坏模式与隧道开挖面不完全接触的缺陷;进一步针对三维多块体平动破坏模式存在的问题,提出了多块体转动–剪流组合破坏模式,得到了均质黏土地层中隧道开挖稳定的上限解,明显改善了现有的极限分析上限解,并与三维弹塑性有限单元法结果及文献中的离心试验结果进行对比,验证了上限分析方法的有效性。     

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。     

隧道掘进地层应力释放对开挖面稳定影响数值研究

隧道开挖时通过在开挖面提供支护来控制开挖引起地层应力释放,以维持开挖面稳定并控制地层变形,开挖面稳定则受到地层应力释放的影响。采用有限差分数值软件FLAC3D实现隧道掘进时开挖面应力释放模拟,并分析不同程度地层应力释放对开挖面稳定性影响。模拟发现随着应力释放程度增加,开挖面历经弹性变形、塑性变形和破坏三个阶段,开挖面变形由弹性阶段进入到塑性阶段为开挖面失稳临界状态,而开挖面变形由塑性阶段进入到破坏阶段为失稳极限状态。对失稳极限状态研究发现,此时开挖面失稳表现为开挖面上部局部破坏,随着开挖直径D增加局部破坏失稳现象更加明显;浅埋隧道开挖面局部失稳将发展至地表,而由于土拱效应,深埋隧道开挖面失稳破坏发展至拱顶一定高度处不延伸至地表;失稳对开挖面后方D/4至前方D/2范围内地表沉降影响明显,随着埋深比C/D增大开挖面失稳对地表沉降影响减小。     

浅覆盾构隧道开挖面挤出刚性锥体破坏模式极限分析

浅覆隧道盾构施工过程中可能引起开挖面挤出破坏。为研究开挖面破坏规律,借助已有刚性锥体破坏模式,推导隧道开挖面三维临界挤出压力表达式,建立极限分析上限法非线性规划模型并编程求解。利用该程序,研究了隧道埋深、地层参数等因素与开挖面临界挤出压力曲线关系及破坏模式的演化特征。结果表明,隧道埋深和土体内摩擦角对开挖面临界挤出压力及挤出破坏模式影响较大。发生挤出破坏时,开挖面附近和上方地表范围为主要破坏区域。最后,利用上限法和有限差分法对长沙地铁2号线长沙大道—体育公园站区间隧道某浅埋段进行开挖面稳定性分析,上限法与有限差分法所得结果相互印证,但上限法计算更为简便。     

基于光滑有限元的隧道掌子面稳定性分析

隧道掌子面稳定是影响地下工程施工安全的重要问题之一。基于塑性上限和下限定理的极限分析方法是分析掌子面稳定性常用方法之一。其中,自适应混合常应力-光滑应变极限分析(MCSE-LA)方法在计算精度、效率以及收敛性方法已被证明比传统有限元极限分析方法具有一定的优势。基于此,首先验证自适应MCSE-LA在隧道掌子面稳定分析中的可行性,发现该方法求出的隧道掌子面稳定指标(稳定数)与传统有限元上限和下限法相同,同时,还可以通过基于最大剪应变率自适应网格加密技术获得掌子面失稳模式。另外,还将该方法用于分析隧道开挖未支护段长度对掌子面稳定性的影响,通过分析总结了稳定数随未支护长度的变化规律,对指导地下工程施工具有一定的意义。     

基于透明土的隧道开挖面稳定性三维可视化模型试验研究及应用

为研究承压渗流条件下复合地层盾构开挖面失稳破坏模式及支护压力,自行研发了一种可以自由施加多种渗流承压作用的三维可视化盾构开挖面稳定性模型试验系统。该系统首次采用两种不同透明土材料模拟黏土-砂砾石复合地层,不仅可以消除原样砂砾的粒径效应,而且可以清晰演示复合地层内部变形过程,并基于数字图像测量技术和自行编写的三维地形位移场重构程序可精准获取开挖面三维破坏体视图。应用该设备进行了7组盾构隧道不同埋径比(C/D=0.5,1.0,2.0)的模型试验,系统研究黏土-砂砾石复合地层有无承压水渗流条件下盾构隧道开挖面稳定性。试验结果表明:有无承压水渗流条件下,支护压力随开挖面后撤位移曲线均存在明显3个阶段;临界破坏状态下,模型试验得到的破坏体形态与隧道埋径比C/D有关,隧道浅埋与深埋时破坏体形态存在不同,此外,破坏体形态还与土层类别息息相关,不同土层中土体破坏形态也不尽相同;相比无渗流条件,承压渗流条件下开挖面土体失稳破坏区域影响范围更广。同时,以上试验也表明了该试验系统可形象地再现盾构开挖面失稳破坏演化过程,具有采集精度高、稳定性好和可操作性强等优势,适用于各种复杂工况下复合地层开挖面稳定性研究。     

软弱夹层厚度模拟实用方法及其应用

 围岩中分布的软弱夹层对地下洞室围岩稳定性、支护结构安全性有着重要的影响,以软弱夹层的变形、强度等效为出发点,基于接触面单元和软弱夹层影响带概念,提出一种在固定的有限元网格中模拟不同厚度的软弱夹层的实用化模拟方法,并初步验证该方法的合理性、正确性、实用性;利用提出的模拟方法,以奥地利岩土工程有限元分析软件FINAL为平台,系统分析地下洞室分别位于II,III,IV级3种围岩,软弱夹层分别分布在顶部、拱肩、边墙3种不同部位,软弱夹层厚度分别为0.000D,0.005D,0.010D,0.020D,0.200D 5种厚度等条件下,软弱夹层对洞室围岩位移场、应力场、塑性区以及喷层结构受力的影响,着重讨论不同软弱夹层厚度条件下,围岩位移场、应力场、塑性区及喷层内力随夹层厚度的变化差异;总结当前试验条件下,软弱夹层厚度对地下洞室围岩稳定性与支护结构安全性影响的一般规律;研究成果可望为地下洞室的规划、设计、施工,尤其是遭遇软弱夹层等特殊工程条件下的设计、施工、维护等提供一定的参考与指导作用。     

有限土体下考虑土拱效应的非极限主动土压力解

以挡土墙后有限范围黏土为研究对象,考虑非极限状态下的土拱效应,并采用塑性上限理论求得的破裂面夹角和多滑裂面假设得到的侧向土压力系数变化规律,推导了有限土体的主动土压力解析式,该公式也可退化为半无限宽度的主动土压力公式。与模型试验相比,所提理论解与试验值取得了较好的一致性,证明了解析解的合理性。进一步参数分析表明:破裂面夹角随土体内摩擦角$\varphi$呈线性增长;随有限土体宽高比B/H减小而小幅增加;与地下室挡墙外摩擦角和内摩擦角的比值 $\alpha / \phi$ 呈正相关,而与基坑挡土墙外摩擦角和内摩擦角的比值$\delta / \varphi$呈负相关;在$\alpha / \varphi$大于或略小于$\delta / \varphi$时,破裂面夹角随位移比$\eta$单调增加,而当$\alpha / \varphi$远小于$\delta / \varphi$时,破裂面夹角随$\eta$增加先增大后减小。主动土压力随B/H减小而单调降低,其分布由子弹形逐渐转变为钟形;主动土压力值与$\delta / \varphi$、$\alpha / \varphi$和$\varphi$都呈负相关,且随$\delta / \varphi$与$\varphi$的增加非线性逐渐增强。     

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~~     

Stability analysis of leaning historic masonry structures

This paper introduces an automatic, powerful and easy to use procedure for undertaking stability analyses of leaning historic masonry structures, based on an upper bound finite element limit analysis (FELA) approach. The procedure proposed here consists of a comprehensive workflow which involves the automatic point cloud manipulation, the 3D mesh generation of the actual geometry for structural purposes (e.g. FE mesh), and a two-step FELA that reduces drastically optimization variables assuming only active few elements inside a restricted processing zone. To generalize the Heyman's intuition to complex real geometries, the use of a 3D upper bound FELA with a recursive kernel of variables reduction becomes necessary for a precise evaluation of the limit inclination that makes the structure collapse under gravity loads. This outcome permits to estimate the structural health condition of a historic structure by comparing the critical inclination angle against the actual one. To demonstrate the effectiveness of the automated procedure, the southwest leaning tower of the Caerphilly castle (Wales, UK) is investigated and failure mechanisms with collapse inclination angles are evaluated through FELA. The proposed procedure presents a high degree of automation at each operational level and, hence, could be effectively used to assess the stability of historic structures at a national scale and provide useful information to asset owners to classify the structural health condition of leaning historic masonry structures in their care.     

Face stability analysis of shallow circular tunnels in cohesive–frictional soils

The face stability of a circular tunnel in cohesive–frictional soils was numerically and theoretically investigated. Three-dimensional (3D) numerical simulations were first performed to analyze the face stability of a circular tunnel with a series of tunnel diameter-to-depth ratios and soil properties. The limit support pressure on the tunnel face and the failure zone in front of the tunnel face were both obtained from the numerical simulations. A simple and feasible criterion was suggested to outline the boundary strip of the failure zone at collapse in displacement clouds under different conditions. Based on the numerical simulation results, a new 3D failure mechanism was proposed using the kinematic approach of limit analysis theory to determine the limit support pressure of the tunnel face. The new 3D failure mechanism was composed of four truncated cones on which a distributed force acts. Finally, the limit support pressures and failure zones obtained from the new failure mechanism and the numerical simulations were compared. In addition, comparisons between the results of this work and those of existing approaches were performed. Overall, the new failure mechanism is substantially more consistent with the shapes of the failure zones observed in numerical simulations and experimental tests than the existing multi-block failure mechanisms. The new failure mechanism is more effective and reasonable.     

浅埋盾构隧道端头土体稳定性极限平衡分析

 盾构始发与到达时易引发端头土体失稳破坏,是盾构隧道施工中的高风险环节。针对浅埋盾构隧道,提出一种直线和对数螺旋线组合的土体滑动模式,运用极限平衡分析方法,对端头土体的稳定性进行分析,推导稳定系数计算公式,并对其影响因素进行分析。端头土体的稳定性取决于土体自身的强度、加固体的厚度和加固强度及洞门直径。端头土体自身的内摩擦角和黏聚力越大,稳定系数越大;加固体的强度越大,稳定系数越大;加固体厚度越大,端头土体稳定性越好;但随着洞门直径的增大,端头土体稳定系数逐渐降低。随后得出端头土体的加固厚度的计算方法和流程,分析其影响因素,并给出工程算例。将该方法应用于南京地铁盾构隧道端头土体稳定性分析及加固厚度计算,结果令人满意,被工程所采纳。该研究成果和方法可为同等条件下盾构隧道端头土体稳定性分析及加固设计提供借鉴。     

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.     

珊瑚砂动剪切模量预测的应变-损伤状态耦合模型

对南海饱和珊瑚砂进行了4类不同加载模式的不排水动三轴试验,研究了不同相对密度Dr和平均有效围压σ'0下加载第一周的动剪切模量比G1st/G0与剪应变幅值γa的关系,G1st/G0受Dr的影响很小,随σ'0的增大而增大。由于分级加载过程中土体结构与相对密度发生改变,在γa3×10-4时,应变控制的分级循环加载获得的G1st/G0-γa曲线位于等应变幅值循环加载获得的G1st/G0-γa曲线的上方。结合两类试验结果,给出了饱和珊瑚砂的G1st/G0-γa模型。基于弹性应变能理论,提出了可以描述土体损伤状态的状态参数Pd(damage parameter),探究了不同加载模式下动剪切模量比G/G0随土体损伤状态参数Pd的发展规律。在双对数坐标中,同一应变幅值下的(1-G/G0)-Pd可用直线表示,其斜率与应变幅值γa和历史加载过程中的最大应变幅值γa,max有关。结合G1st/G0-γa和G/G0-Pd关系,给出了可以同时反映应变幅值和破坏状态影响的珊瑚砂动剪切模量预测模型。