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。     

隧道工作面稳定性与滑移线网破坏模式研究

针对隧道工作面稳定性和破坏模式问题,从保守角度将其假定为沿隧道纵向中线剖开的二维平面应变模型,采用刚体平动运动单元上限有限元法(UBFEM-RTME)开展分析研究,绘制了土体自重作用下地层临界失稳状态对应的隧道工作面稳定系数N_(cr)图表和有效间断线网(近似滑移线网)破坏模式,探讨了埋深比H/D、内摩擦角j和剪胀角ψ等参数影响规律,给出了N_(cr)与H/D和j影响因素的拟合公式,进一步揭示了有效间断线数目及位置分布等网格参数对计算精度的影响程度。研究表明UBFEM-RTME数值计算配合网格更新策略并保证合理充足的网格密度,能提高N_(cr)上限解精度并捕获高密度有效间断线网破坏模式,其分析结果可用于评价隧道工作面稳定性、揭示极限失稳破坏形态的主要特征,为地层预加固方案制定等工作提供一定理论支撑。     

非均质黏土地基隧道环向开挖面稳定上限分析

基于多块体极限分析上限法,推导了不排水条件下饱和黏性土地基中隧道环向开挖面稳定支护压力的计算公式。编制相应的计算程序,优化得到了隧道环向开挖稳定的最优上限解答。通过与已有极限分析上限解答的对比,验证了多块体极限分析上限法在隧道开挖稳定性分析的适用性。对照隧道开挖稳定的最优上限解的变化规律及相应破坏面的形状,详细分析了隧道埋深比、土体重度及强度非均质性对开挖面极限支护压力和因隧道开挖产生的滑动面范围和位置的影响。在此基础上,进一步基于隧道失稳的简化破坏模式推导了黏性土地基隧道开挖稳定的极限支护压力的简化上限解。通过与已有离心模型试验的对比验证,指出本文上限解可直接用于工程中初步确定开挖面支护压力,为隧道工程设计提供可靠的理论依据。     

浅埋矩形隧道掘进面被动失稳混合破坏机制

浅埋条件下矩形隧道顶管法施工中因支护压力波动极易诱发掘进面被动失稳。采用平面分析对该问题进行研究,并建立被动失稳机动破坏机制。该机制是由平面螺旋与平动机动破坏机制组成的混合机制,2种机制间采用离散技术建立速度不连续面进行过渡。基于该机制,采用上限分析法推导出被动失稳支护压力上限解,并通过最优化方法得到了极限支护压力及最优破坏模式。参数分析表明,土体摩擦角对失稳影响较显著,随着摩擦角增加,失稳区域扩大而极限支护压力迅速增大,与此同时,破坏区域中平动模式所占比例增加;黏聚力对失稳模式影响较小,而地表超载增加引起失稳区域扩大,支护压力线性增长。对比分析发现,隧道宽高比较大情况下,基于平面混合破坏机制的上限解与数值解吻合较好,且吻合程度随着宽高比增加而提高。研究表明,平面混合破坏机制有着较好的应用前景,可为相关工程设计施工提供理论参考。     

浅埋双侧偏压小净距隧道衬砌荷载及其参数敏感性分析

为了研究浅埋双侧偏压小净距隧道开挖的破坏模式及衬砌荷载分布规律,通过现场调研和数值模拟的方法对4种典型计算模型进行分析,分别获得了该类型隧道先行洞开挖和双洞开挖后隧道的破坏模式。然后针对该类型隧道的破坏特点,在基本假定的基础上建立了浅埋双侧偏压小净距围岩压力计算的力学模型,并结合公路隧道设计规范中有关成果,推导出能够考虑隧道左、右洞先后施工过程的隧道围岩压力计算理论。此外,通过数值模拟的方法对该类型隧道的围岩压力计算参数进行敏感性分析,获得了各计算参数对该类型隧道围岩压力的敏感性影响规律。     

考虑渗流影响的盾构隧道开挖面稳定上限分析

通过考虑渗流影响的弹塑性有限元分析,获得渗流条件下的开挖面破坏模式,对比无渗流条件下开挖面的破坏模式,分析渗流对开挖面破坏模式的影响。基于极限上限分析,对无渗流条件下的破坏模式进行改进,提出了适合渗流条件下盾构隧道开挖面稳定性分析的破坏模式,建立了考虑渗流影响的极限分析上限法,获得了渗流条件下维持开挖面稳定的总极限支护压力。结合算例验证了该方法的有效性,并将其用于钱江隧道工程实例分析。研究表明：渗流会影响开挖面破坏模式,但当水位线不高于地表时,这种影响可以认为是一定的与隧道直径和土体内摩擦角等因素无关。总支护压力的很大部分被用于平衡渗流力,且总支护压力值与地下水位线近似呈线性关系。     

考虑局部失稳的盾构隧道开挖面#br# 挤出破坏数值模拟与理论分析

通过数值模拟和理论分析,研究了盾构隧道开挖面挤出破坏机理。首先,利用有限元软件进行了数值模拟,揭示了隧道开挖面挤出破坏的局部失稳模式,得到了盾构隧道开挖面挤出破坏的局部失稳比和极限支护压力。此外,还进行了摩擦角和相对埋深对局部失稳比率和极限支护压力的参数敏感性分析。其次,基于极限分析方法,提出了一种考虑局部失稳模式的隧道开挖面挤出破坏新机制。新的被动破坏机理由五个圆锥台和作用在圆锥台上的分布力组成。通过对定义的角度和隧道开挖面局部失稳直径进行数值优化,计算得到挤出破坏模型的上限解,进而研究了摩擦角和相对埋深对局部失稳比的影响。比较了数值模拟和理论分析得出的局部失稳比结果。最后,将获得的被动极限支护压力与现有方法进行了比较,表明新的挤出破坏机理为极限支护压力提供了较为满意的预测结果。     

基于极限平衡法与极限分析法等效性的地基承载力系数N_γ的上限解

针对地基承载力系数Nγ真实解答尚未获得的现状,提出一种计算Nγ上限解的数值计算方法。在论证极限平衡法与极限分析法等效性的基础上,采用一组三角条块逼近满足机动许可的潜在破坏机构,通过极限平衡法建立条间力的递推公式,依据推力最大原理优化条块底线的倾角,得到最危险破坏机构及对应的地基承载力系数Nγ的上限数值解,进而分析地表倾斜情况下的Nγ及其修正方法;最后,为了便于工程应用,给出Nγ及地表倾斜修正系数ξγ的近似表达式。通过与已有研究成果的比较,验证该方法的合理性。研究表明:该方法计算过程简单易于编程实现,能够得到相对小的上限解。研究成果可用于地基承载力的理论分析,为深入研究地基承载力系数Nγ提供参考。     

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。     

深埋老黄土隧道变形规律及初支受力机理

为了解决深埋老黄土隧道初期支护因围岩弱化挤压而破坏的现象,为隧道支护破坏整治提供依据,以阳山隧道出口深埋老黄土段为工程依托,对不同含水率下隧道变形规律进行了统计分析,然后综合采用变形反演、强度折减数值计算和实测支护内力规律对比的方法对初期支护的整体受力状态和受力规律进行了研究,最后通过数值计算对初期支护受力关键部位的破坏过程和破坏机理进行了分析。得到如下结论:(1)深埋老黄土隧道变形规律与围岩含水率相关,在围岩含水率低于老黄土塑限前,隧道的变形量小、稳定速度快、拱顶沉降大于水平收敛,含水率大于塑限后,隧道变形量显著增加、持续时间长、水平收敛大于拱顶沉降;(2)初期支护全环整体处于小偏心受压模式,受力关键部位为拱部,随着围岩的不断弱化,支护小偏心受压模式不变、内力逐渐增加,最大内力由拱腰转移至拱脚处;(3)在小偏心压力作用下支护结构为“压-剪”控制破坏,表现为混凝土表面压碎剥落、内部斜向剪切破坏,锁脚锚管的存在对结构破坏发展方向有引导作用,使得结构由“X”型对称剪切破坏转化为固定方向的斜截面剪切破坏。建议支护破坏整治方案采用可提高结构斜截面抗剪强度的加强措施,或采用限阻耗能型支护来释放围岩压力并减小结构内力。     

浅埋偏压隧道围岩压力上限法解析解

结合室内模型试验结果和相关联流动法则,构建了浅埋偏压隧道破坏模式以及与之相对应的速度场,根据虚功率原理推导得到了浅埋偏压隧道围岩压力的极限上限解,并进行实例验证和适用性分析。结果表明:推导得到的浅埋偏压隧道围岩压力极限上限法计算结果与既有"规范法"计算结果及试验结果较为接近,说明该方法是可行的;从深、浅埋侧荷载差值而言,当前的"规范法"低估了浅埋偏压隧道围岩压力的偏压特性,是欠安全的;当埋深h12D,或h1≥2D且偏压角度α45°时,采用上限法、或上限法与"规范法"两者的平均值更为合理;当埋深h1≥2D且偏压角度α≥45°时,采用"规范法"更为合适。     

浅埋矩形隧道围岩压力上限分析及可靠度计算

考虑浅埋暗挖法施工矩形隧道,由于隧道埋深浅,一般会受到建、构筑物等地表荷载的影响,采用极限分析上限法推导出受地表荷载和孔隙水等荷载作用下的围岩压力表达式。结合序列优化法和Matlab优化工具,计算得到围岩压力的上限解。考虑土体参数以及荷载的离散性,运用可靠度方法对支护力进行失效概率分析。分析了侧压力系数、黏聚力、内摩擦角、埋深、孔隙水压力及地表荷载对围岩压力的影响,通过计算表明,侧压力系数对拱顶、边墙的围岩压力有较大的影响,并且差异性很大,建议区别计算拱顶和边墙的围岩压力。此外,参数的统计特征对浅埋矩形隧道支护力也有较大的影响,特别是变异系数,应提前做好勘测、统计工作。并针对3种不同的安全等级,给出了浅埋矩形隧道的最小安全系数和最小支护力,为其支护设计提供参考。     

密实砂土及硬黏土中圆形隧道的竖向支护压力

 在Terzaghi理论假定的基础上,考虑圆形隧道侧压力系数及洞身范围斜向滑裂面作用,根据极限平衡法建立圆形隧道竖向支护压力的一般表达式,适用于密实砂土及硬黏土地层。该式表明圆形隧道的竖向支护压力随侧压力或侧压力系数 的增大而减小,当 时可得最小支护压力。为求解竖向支护压力,提出圆形隧道侧压力系数 的计算方法,建立支护压力与衬砌刚度、地层刚度等因素的定量关系,表明随衬砌厚度的减小或地层弹性抗力系数的增大,侧压力系数增大,而竖向支护压力减小。通过对比表明,本文方法计算值与极限分析上限法、既有试验结果较接近且偏于安全,不仅适用于浅埋隧道,也适用于深埋隧道,且本文方法比极限分析上限法显著简化。     

考虑孔隙水压力效应和非线性破坏准则的 浅埋地下洞室支护力上限分析

由于孔隙水压力的作用,位于饱和土体中地下结构的力学和变形特征与完全干燥土体中的结构有很大不同。根据浅埋地下洞室的非线性破坏特征构建了一个新的曲线形破坏机制,并将孔隙水压力做的功率作为一个外力功率引入极限分析上限定理的虚功率方程中,推导了孔隙水压力作用下饱和土体中浅埋洞室支护力和速度间断线上限解的解析表达式。利用变分原理,对此支护力的上限解进行了优化计算,得到了支护力的最优上限解,并对单一影响参数变化下的支护力随埋深变化规律和洞室顶部塌落面的形状进行了研究。研究结果表明：孔隙水压力对饱和土体中浅埋洞室的支护力和塌落面均有重大影响;支护力和塌落面都随孔隙水压力系数的增大而增大。     

考虑隧底隆起斜坡段浅埋隧道稳定性上限分析

采用极限分析上限法,基于内外能耗守恒原理,通过构建考虑隧底隆起的斜坡地段浅埋隧道破坏模式,推导出围岩压力的计算式,并通过典型算例重点分析了典型因素对隧道围岩稳定性的影响。研究结果表明:基于泰沙基极限平衡法进行隧道围岩支护设计较为保守,不考虑隧底隆起的极限分析方法次之考虑隧底隆起极限分析方法的风险最大;斜坡地表倾角增大对浅埋隧道稳定性有着不可忽视的不利影响;围岩压力随岩土侧压力系数减小、埋深增大、断面尺寸加大而增大;岩土黏聚力增大、内摩擦角增大对提高浅埋隧道围岩稳定性有积极作用。     

基于现场实测数据统计的隧道围岩压力分布规律研究

 围岩压力作用模式和时空演化规律是隧道支护结构设计的核心内容,一直是地下工程界研究的热点问题之一。在总结隧道围岩压力类型和主要影响因素的基础上,通过对44座隧道91个监测断面围岩压力的统计分析,研究隧道围岩压力的总体分布特征及其与围岩级别、隧道埋深的关系,讨论竖向、侧向围岩压力及侧压力系数随隧道埋深增大的变化规律。基于现场监测数据的统计分析,研究隧道围岩压力时程变化的基本规律,将隧道围岩压力随时间变化划分为快速增长–缓慢增长–趋于稳定的3个阶段,其中快速增长阶段多集中在隧道开挖后无支护或支护结构尚未完全发挥作用的一段时间;讨论隧道围岩压力沿洞周的分布规律和不均匀系数的分布特征。研究结论为分析隧道围岩压力作用机制和完善支护结构设计方法具有一定的参考价值。     

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。     

用隧道周边位移反分析围岩压力的解析研究

针对圆弧拱形轮廓隧道,通过假定围岩变形后仍为圆弧形状和拱脚位移约束,利用结构力学分析原理推导出隧道拱顶竖向位移与围岩压力及分布范围的解析关系式,可以通过量测的隧道周边拱顶竖向位移估算围岩压力大小和分布范围,为隧道支护参数的确定提供依据.     

连拱隧道支护结构内力模式研究

连拱隧道结构复杂,施工工序繁多,开挖和支护相互交错,导致围岩压力分布及支护结构各部分的应力和变形难以获得精确解答,使设计存在一定的盲目性。文章首先通过对现场监控量测中的围岩压力分布情况和初期支护受力特点及工作状态进行了分析,提出了围岩接触压力和初期支护结构内力模式。接着在有限元分析中结合现场量测数据进行计算参数的合理选取来模拟现场开挖计算,并对计算结果与现场量测数据进行了对比分析和相互印证,提出了不同中墙连拱隧道初期支护结构设计的可行控制点。     

高地应力软弱围岩隧道初期支护受力特性的现场监测研究

由于作用在初期支护上的围岩压力大,高地应力软弱围岩隧道开挖后经常出现围岩大变形、喷混凝土开裂、钢架扭曲等破坏现象,影响隧道的施工和长期运营安全。依托宜万铁路堡镇隧道,通过对围岩压力、初期支护喷混凝土应力、钢架应力、锚杆轴力和围岩深部位移等的现场监测,得到围岩压力与初期支护体系各子构件的力学特性,讨论其随时间的演化特性和沿隧道横断面的空间分布规律,指出围岩压力、钢架应力、喷混凝土应力随开挖进程存在急剧变化阶段,受施工扰动的影响显著,敏感性依次降低,沿洞周分布总体表现出“上部大,下部小”等特征。研究方法和结论为建立科学合理的高地应力软弱围岩隧道支护结构设计方法具有一定的指导和借鉴意义。