应变软化与扩容特性极弱胶结围岩弹塑性分析

极弱胶结岩体具有显著的峰后应变软化与体积扩容变形特性,这是造成极弱胶结地层巷道围岩产生大变形的主因.基于极弱胶结岩体应变软化与扩容特性,建立了考虑岩体应变软化与扩容特性的围岩弹塑性力学模型,分析了力学计算模型、扩容系数、软化系数及支护抗力对围岩塑性区范围与位移的影响规律.将巷道围岩塑性区及位移的理论解答与数值计算结果进行了对比分析,验证了极弱胶结岩体扩容大变形本构模型的适用性.结果表明:考虑极弱胶结岩体的扩容和应变软化特性使得分析更加合理准确,研究成果对极弱胶结地层巷道支护设计与施工具有一定指导意义.     

基于三剪统一强度准则的隧道围岩抗力系数计算

基于三剪统一强度准则对隧道围岩抗力系数进行了分析,并导出了围岩抗力系数的计算公式。在表征岩石的强度和变形特征时采用了三剪统一强度准则以反映中间主应力对岩石强度和变形的影响,在描述隧道围岩塑性区内的应力状态时,采用中间主应力参数法来表达不同岩体可能具有的不同塑性区应力状态。计算实例表明：隧道围岩的中间主应力对隧道围岩抗力系数有影响,考虑中间主应力效应后所得的隧道围岩抗力系数增大。     

深埋隧硐含水围岩弹塑性稳定极限平衡分析

在岩体内开挖隧硐后,由于干扰了原岩应力分布和渗透水压力的作用,硐室含水围岩中呈现次生应力,这种新出现的不平衡应力是引起岩体产生变形、位移甚至破坏的主要根源.以圆形截面隧硐为例,在莫尔库仑理论的基础上,从围岩弹塑性变形的角度出发,分析和计算地下隧硐含水围岩极限平衡时的稳定性和临界支护抗力,为实际地下工程和支护打下理论基础.     

软岩巷道支护荷载的确定方法

通过分析巷道围岩与支护的相互作用原理 ,得出了软岩巷道失稳的原因是由于围岩自承力与支护力不足的结果 .认为一个优化的软岩巷道支护设计应在确保支护稳定的前提下 ,最大限度地释放围岩的能量 ,使以变形形式转化的工程力达到最大 ,同时最大限度地发挥围岩的自承能力 ,使工程支护力达到最小 ,而其关键是确定变形能释放时间和最佳支护时间 .软岩巷道开挖后 ,通常在巷道周围形成塑性软化区和塑性流动区 ,实施支护力就是要控制塑性流动区的范围与发展 ,达到最佳支护时间时的支护荷载为最小支护荷载 ,可以通过塑性软化区和塑性流动区内岩石的重力求得     

导流隧洞钢拱架与喷锚支护体系有限元分析

钢拱架支撑是地下洞室开挖中的重要支护型式之一,与喷锚支护措施相结合能够有效地控制围岩变形和减小围岩失稳机率.结合某水电站工程实际,针对不支护、喷锚支护、钢拱架与喷锚联合支护等不同情况,采用三维有限元法对导流洞开挖过程中围岩的位移、塑性区,喷层、锚杆及钢拱架的应力分布情况进行了计算分析.结果表明:与普通的喷锚支护相比,采用钢拱架与喷层、锚杆组成联合支护体系能够对围岩变形提供直接抗力,围岩位移和塑性区范围大大减小,各支护材料的应力也有较大程度的降低,为导流洞围岩破碎洞段施工期的稳定提供了有力的保证.     

圆形有压隧洞围岩抗力系数“K”的计算公式

本文讨论了各种圆形有压隧洞围岩抗力系数计算公式;着重研究了岩石扩容特性及地应力场对围岩抗力特性的影响。重新建立了圆形有压隧洞在地应力场中的力学模型。据此建立无限大岩体承受地应力和均匀内压的圆形隧洞弹塑性分析的微分方程式;运用岩石力学中广泛使用的莫尔——库仑屈服准则,推求出有裂缝区,塑性区及弹性区共同影响的计算岩石抗力系数“K”的新公式。     

茶镇隧道围岩松动圈范围测量与研究

为了向隧道围岩支护设计提供可靠的松动圈厚度理论依据,以茶镇隧道的工程实际为例,通过弹塑性理论分析,采用围岩深部位移测量的方法,计算了茶镇隧道围岩松动圈的分布范围,分析了茶镇隧道围岩松动圈对围岩稳定性、锚杆支护参数设计合理性的影响.研究结果表明:通过理论计算得出的松动圈厚度为1.9mB2.0m.     

深埋回采巷道围岩塑性区演化规律研究

基于某矿地应力实测结果,在拟定回采巷道开掘方案及支护参数的前提下,采用Hoekbrown准则、"当量半径"简化、弹塑性平衡理论计算得到巷道掘进支护后围岩塑性区半径公式,假定其他因素不变代入支护强度、侧压系数后得到巷道初掘期间不同部位塑性区与p0、λ耦合关系曲线,为巷道布置及支护强度定量设计提供重要的参数;回采期间假定前两者已定,得到工作面前方14~44 m巷道内围岩塑性区随地质强度因素GSI、支承压力P'变化的演化规律。通过UDEC大变形数值模拟计算获得工作面前方巷道围岩塑性区演化规律和同距离段理论计算结果基本吻合。对掘进、回采期间矿压观测结果表明,基于实测地应力的深埋回采巷道围岩塑性区演化规律研究具有针对性、定量性及实用性,能为巷道布置、支护参数设计及围岩稳定性判定提供可靠的依据。     

基于松动圈理论的软岩大变形隧道锚杆支护优化研究

在高地应力软岩区修建隧道时,由于软岩自身强度低、膨胀性强,又受高地应力挤压,若施工措施不当易发生软岩大变形,给工程建设带来巨大困难。根据围岩松动圈理论,采用统一强度准则,考虑中间主应力的影响,分析围岩应力状态,得到适用于软岩大变形隧道围岩松动圈半径计算公式。对安岚高速谢家坡隧道围岩进行弹塑性分析发现,软岩大变形隧道围岩松动圈沿横断面分布并不均匀,呈边墙大拱顶小的趋势,且随大变形级别的升高和支护反力的减小而增大。结合现场测试得到Ⅱ级大变形松动圈厚度拱顶处为6.5~7.0 m,边墙处为7.0~7.5 m;Ⅲ级大变形松动圈厚度拱顶处为7.5~8.0 m,边墙处为8.0~8.5 m,并以松动圈厚度为依据优化系统锚杆长度。对优化段监测可见,围岩变形显著减小,稳定性有效提高。     

基于变形压力分析的有控卸压机理研究

为了确定卸压程度,降低卸压过程中围岩强度弱化对巷道稳定的不利作用,基于应变软化准则建立了变形压力的力学模型,依据变形压力的变化规律分析了有控卸压机理,并提出了"临界塑性区半径"作为有控卸压的判定准则.结合某软岩大巷的有控卸压支护实践,确定该巷道的"临界塑性区半径"为7.78 m,并将该结果应用于有控卸压支护参数的设计.工程应用表明,通过对卸压程度的合理控制,不但有效释放了围岩的变形能减小围岩对支护体的变形压力,并能降低围岩强度弱化对围岩稳定的不利作用,提高二次锚杆支护效果,保证了支护强度满足要求,使巷道处于长期稳定状态.     

骑跨采动压巷道围岩稳定性数值模拟

针对巷道围岩遇水膨胀软化、岩石流变特性显著及长期受采动支撑压力作用的特点,应用FLAC数值软件分析骑跨采动压巷道在不同垂距及水平距离下巷道围岩的稳定性,并研究巷道围岩应力场、变形场及塑性区的变化特征.研究结果表明：巷道围岩变形表现为以底鼓变形最大,两帮变形次之,顶板变形量相对较小的特点;受支撑压力的影响,巷道围岩的应力、变形及塑性区分布呈现明显的不对称性;随着垂距及水平距离的增加,巷道围岩应力及变形呈现出不同程度的减小趋势.     

对轴对称荷载作用圆巷围岩理想弹塑性分析解的讨论

对轴对称荷载作用圆巷围岩理想弹塑性分析解——Kastner解适用于软岩和小变形情况,若用于非软岩和大变形情况,从Kastner方程会导得：不论巷道围岩塑性变形多大,巷道周边切应力恒等于岩体峰值强度;围岩所承受的地应力可以随围岩塑性区半径增大而持续增大,随巷道周边位移增大而持续增大;此外,Kastner解中切应力分布曲线在围岩弹、塑性区交界处有尖峰向上的应力集中.采用符合岩石实际的弹性、非线性硬化和软化光滑连接的应力-应变关系得到的巷道围岩分析解,可以弥补以上三点不足,恰当地反映巷道临界深度和巷道围岩自承地应力极限问题;所绘出的切应力分布曲线在围岩弹、塑性区交界处光滑连接,因而有更广的适用性和精确性,对巷、隧道围岩大变形支护设计有参考作用.     

采用总荷载不变法的非静水压隧道摄动拓展解

为描述实际地应力场下隧道塑性区演化规律和支护设计原则,基于Mohr-Coulomb准则和弹-脆-塑性模型,采用总荷载不变法并引入弹性区应力摄动解,建立了非静水压力下圆形隧道水平轴和竖向轴处的塑性区半径方程,继而利用几何相似原理拓展至其他方位角处,并与文献总荷载不变法(以应力基尔希公式为基础)、Kastner法、复变函数法和实测数据进行对比,结合非关联流动法则推导塑性区位移解析解,探讨侧压力系数与脆性软化对隧道塑性区边界线、塑性区位移分布和围岩特征曲线的影响特性。结果表明：相比文献总荷载不变法和Kastner法,2阶摄动解作为非静水压圆形隧道的弹性区应力表达式更合理,且得到复变函数法的正确性验证;侧压力系数对隧道塑性区边界线的形状和范围均有明显影响,需针对具体方位角选择支护类型和尺寸以调控收敛约束交点处的支护压力与围岩稳定变形;隧道塑性区半径和洞壁位移随围岩峰后强度的降低而显著增加,宜使用弹-脆-塑性模型构建围岩特征曲线。     

应力剪胀对浅埋隧道稳定性系数的影响

考虑剪胀对隧道围岩稳定性的影响,对浅埋圆形盾构隧道、浅埋两车道公路隧道和浅埋双线铁路隧道在围岩发生塑性流动时进行力学特征分析。分析圆形盾构隧道围岩的位移,塑性区分布和最大剪切应变率;计算圆形断面、双线铁路隧道、双车道公路隧道等3种不同断面形状隧道的稳定性系数,分析剪胀角对围岩稳定性系数的影响。研究结果表明：剪胀角对围岩位移的影响存在一个临界值;在围岩发生塑性流动时,塑性区随着剪胀角的增大而逐渐增加;剪胀角对围岩剪切破坏带和围岩稳定性系数都有较大影响;随着剪胀角的变化,隧道临界稳定系数也发生变化。     

隧洞支护效应的探讨

基于弹性理论,对隧洞开挖后和进行喷锚支护后的应力和塑性变形进行分析。运用FLAC 3D模拟了隧道开挖与支护过程中的力学行为,得到隧道在无支护和喷锚支护作用下围岩的塑性及应力变形情况。结果表明,在喷锚支护中,对锚杆施加预应力,其值为当隧道塑性区消失时所需支护力的大小。这种支护提高了围岩的自承能力,使围岩塑性区的扩展在隧道开挖不久就得到有效抑制,能有制止隧道围岩的进一步破坏。     

基于Mogi-Coulomb强度准则的隧道围岩理想弹塑性解答

合理选择岩石强度准则对隧道应力及位移预测和支护设计都具有重要意义,基于Mogi‐Coulomb强度准则和理想弹塑性模型,通过中间主应力系数反映中间主应力的影响,推导了圆形隧道围岩应力和位移的解析解,并对所得结果进行比较与验证,得到了中间主应力和围岩抗剪强度参数的影响特性。研究表明：具有广泛的适用性和较好的可比性,Mohr‐Coulomb强度准则解答和Matsuoka‐Nakai准则解答均为其特例;结果关于中间主应力系数 b＝0.5对称,较好地反映了岩石强度的中间主应力效应及其区间性;粘聚力及内摩擦角对围岩塑性区半径和隧道洞壁位移的影响显著,应充分考虑中间主应力影响及围岩抗剪强度参数变化对隧道设计与施工的影响。     

西安地铁隧道穿越地裂缝带的计算模型探讨

通过对西安地铁隧道穿越地裂缝带的大型物理模型试验成果的分析,提出在地裂缝活动时,穿越地裂缝带的地铁隧道有以下两个方面的变化特征:一是作用于隧道的荷载发生改变;二是在隧道底部产生脱空现象。这种脱空现象无论在整体式隧道还是盾构隧道中都会出现。造成隧道在界面上与土体脱空的原因是隧道和周围地层的变形不协调。脱空区域的大小对地铁隧道的变形与内力计算会产生明显影响。在对隧道变形特征分析的基础上,总结得出了西安地铁穿越地裂缝带隧道变形的4种计算模型:对于整体式长隧道,可以采用一端固定而另一端简支,或一端固定而另一端定向支承的计算模型;对于整体式短隧道,可以采用外伸梁模型;对于盾构隧道,可以采用一端固定而另一端定向支承的计算模型。最后,对脱空条件下隧道数值分析的建模问题进行了讨论。算例分析表明:在数值计算中,对于隧道与土体接触面的界面处理非常关键,否则将造成计算结果的重大误差。     

基于最小能量原理计算高速切削过程中的剪切角

以Oxley模型的切削力和切削几何关系为基础,提出通过计算切削过程中第一形变区、第二形变区的应力和应变来计算塑性变形功,从而构建随着切削过程中剪切角的变化,系统总能量变化规律的计算模型。基于最小能量原理,确定对应切削过程中塑性变形功最低时的剪切角为平衡剪切角。在模型中引入Johnson-Cook本构方程与动态流变应力本构方程,以文献中45钢的切削实验数据为依据,分别计算引入2种本构方程的基于最小能量原理模型的剪切角,并将计算结果与Oxley模型的计算结果进行对比分析,结果表明文中构建模型的计算结果与实验结果吻合较好。     

结构面特性对深埋隧洞稳定性的影响研究

结构面特性对深埋隧洞的受力和变形有重要影响。以某水电站引水隧洞为例,采用数值计算方法,对结构面不同倾角以及结构面与隧洞不同距离时深埋隧洞的稳定性进行分析。结果表明:隧洞左侧水平位移与底部突起量显著小于隧洞顶部沉降与右侧水平位移;结构面倾角对隧洞各关键部位位移有较大影响,而结构面至隧洞的距离仅对拱顶及隧洞右侧最大位移有一定影响;结构面与隧洞之间的距离在3 m以内时,塑性区沿结构面方向进行扩展,而距离大于6 m后,塑性区面积和形状趋于稳定,最大塑性应变降到较低水平并保持平稳。