考虑松动圈影响的引水隧洞应力及位移弹性分析

采用弹性力学理论,推导出圆形隧洞衬砌和围岩松动圈的应力及位移解析解,并以新疆某引水隧洞工程为背景,分析了平面应变、弹性情况下,衬砌及松动圈支护体内应力之差与位移分布规律,最终得出了一些有价值的结论。     

基于广义kelvin模型的围岩粘弹性位移分析

假设围岩的流变性符合广义Kelvin粘弹性模型。已知轴对称圆形巷道围岩应力场和位移场的弹性理论解,利用准静态粘弹性-弹性理论之间的对应性原理分析了轴对称圆巷的粘弹性模型,从而得出了该模型的位移粘弹性解,并将该理论解应用到工程中,通过理论位移和实测位移的比较,发现该模型能很好地反映围岩的蠕变性质。     

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。     

软弱围岩隧洞位移和应力释放规律研究

软弱围岩强度低、自稳能力差,在隧洞施工中易引起不同程度的塌方,造成生命财产的损失。因此,研究及时支护情况下软岩隧洞围岩的位移和应力释放规律显得尤为重要。笔者采用三维数值方法系统研究了隧洞开挖过程中的位移变化规律,并结合二维数值分析方案研究了围岩应力释放系数随工作面推进的关系。研究表明:(1)埋深、洞径和洞型等对拱顶位移释放系数影响较小,而岩性对其影响显著;(2)拱顶位移释放随应力释放变化过程大致可分为3个阶段,且岩性越差达到相同位移释放率时所需的应力释放率也越大;(3)研究断面前后一倍洞径是围岩应力调整的主要阶段,且应力释放率随岩性的弱化而增强;(4)初期支护对岩性较差的隧洞效果更明显。     

隧道围岩力学特性的敏感性分析

在深埋软岩引水隧洞工程中,为掌握隧洞施工期围岩变形特征,开展对隧洞支护时机的研究,需要确定准确的岩石力学参数以反映真实的围岩力学特性。文章依托实际隧道工程,借助有限差分软件FLAC3D建立反映隧洞开挖支护工序以及蠕变过程的三维数值仿真计算模型,采用极差法研究隧洞围岩基本力学参数对围岩变形的影响,并确定待反演参数;基于正交试验设计构建25组待反演参数组合,代入到数值模型中进行计算,得到监测断面各测点位移值。研究结果表明,隧洞围岩参数敏感性大小排序为：弹性模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比。在隧洞施工过程中,掌子面附近围岩变形受开挖扰动影响明显,随着时间的延后,位移不断增大但位移速率逐渐减小至一稳定值。     

圆形洞室四层层状围岩位移弹性分析

以圆形洞室四层层状岩石围岩为研究对象,建立了弹性分析模型,推导了围岩应力区内的位移解。根据弹性力学中的平面应变理论,不考虑围岩的塑性变形,利用已知的应力方程、物理方程、几何方程,通过逐步分层而得到位移解。     

基于损伤理论的圆形隧洞围岩应力场分析

基于统一强度理论,考虑地下水渗流作用的影响,应用弹塑性损伤力学理论,根据不同的地应力情况,对施工工况下的圆形隧洞围岩进行应力和稳定性分析;通过算例分析了内摩擦角和粘聚力对围岩应力场和位移场的影响。研究结果表明:内摩擦角对围岩损伤半径、应力、位移有着比较显著的影响;粘聚力对围岩损伤半径、应力、位移的影响不太显著;所得结论具有广泛的适用性。     

不同开挖方式下隧洞数值模拟分析

以Ⅱ类围岩为例,通过建立隧洞的三维FLAC3D数值模拟模型,分别分析了隧洞施工过程中全断面开挖和上下台阶开挖两种开挖方式对隧洞围岩的应力场、位移场及塑性区的影响,为解决隧洞开挖的设计和施工提供了重要的理论意义和工程实际价值。     

深埋水工圆形隧洞塑性位移三剪统一解

基于三剪统一强度准则和弹脆塑性模型,考虑中间主应力、渗流、剪胀、软化和塑性区弹性模量等因素的影响,推导了含有5种因素综合影响的水工圆形隧洞塑性区位移解析解;通过算例分析,得出了各参数对隧洞塑性区位移的影响规律。结果表明:各参数取不同值时,位移解可退化为一系列解,参数值可根据具体工程进行合理选择,具有广泛的适用性;围岩剪胀特性对隧洞塑性区位移的影响显著,若不考虑其影响,将明显低估隧洞的变形以致工程设计偏于危险;考虑中间主应力的影响能发挥围岩的强度潜能,减少支护,节约工程造价;考虑渗流和软化特性对隧洞塑性区半径的影响可使塑性区范围更接近围岩真实的变形范围;塑性区弹性模量采用含有半径幂函数的表达式可充分考虑围岩受扰劣化后的应力重分布及爆破损伤等影响,更符合隧洞真实变形情况;该位移解为隧洞塑性区位移计算提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

流变岩体中既有隧道与新建平行隧道相互影响的理论解

在流变岩体中进行隧道施工时,既有隧道与新建隧道的相互作用将使围岩应力、位移分布与单隧道问题有明显不同,且与时间相关。针对黏弹性岩体中深埋双圆形隧洞考虑施工顺序问题,用复变函数方法、Laplace变换、黏弹性叠加关系导出两隧道周边开挖增量位移和应力场的求解方法和理论解答,并与有限元解进行了比对。根据解答分析了既有和新建隧道孔边增量位移与全应力分布特点;隧道周边增量位移随时间的变化;周边位移随隧道间距的变化规律。可用于黏弹性岩体中双圆形隧道顺序开挖的施工分析。相比数值方法,理论解可更方便地进行参数分析和初步设计。     

基于敏感性分析的围岩力学参数反演方法研究

由于影响隧道变形的围岩强度参数和变形参数较多,现有的反分析研究主要集中在算法的优化上,因而忽略了工程应用的便利性和实用性。针对这种状况,以南京某隧道工程为依托,结合数值模拟,提出了基于敏感性分析的反演方法。根据工程实际,将围岩和支护结构综合考虑分为初始围岩区(简称Z₁),松动圈与锚杆锚固共同作用区(简称Z₂)以及钢支撑和喷射砼等效作用区(简称Z₃);通过安排试算初始值,利用FLAC^3D程序计算并分析不同的力学参数对不同隧道变形的敏感性,从而确定反演流程;根据反演流程结合各测点的实测变形值获取合理、准确的围岩力学参数。研究结果表明:与常规的反演方法相比,通过敏感性分析确定隧道不同变形的主控因素,以此变形来反演该主控因素参数在很大程度上提高了工程应用的效率与可靠度;拱顶下沉受Z₁区弹性模量E₁、Z₂与Z₁区弹性模量比值n的影响较大,受围岩泊松比μ₁的影响相对较小;隧道收敛受E₁、n、μ₁ 三者的影响都较大;围岩力学参数反演结果为E₁=362.6 MPa、n=0.62、μ₁=0.30;现场应用证明了该方法的有效合理性。     

巨型地下洞室脆性围岩高应力破裂防治措施研究

脆性岩体高应力破裂是西部水电地下工程面临的主要岩石力学问题之一。依托世界最大规模的白鹤滩地下厂房洞室群,在概括高应力条件和玄武岩脆性特征基础上,说明了地下洞室围岩破裂破坏形式。采用3DEC中围岩能量释放等指标,研究了洞群布置、体形优化等宏观策略;依据围岩高应力集中特征,分析了开挖程序和支护时机等应对措施。结果表明,针对构造应力占主导的地下工程,可研设计应尽可能使主要洞室轴线与σ⁰₁小角度相交、宜选择双向成拱的圆筒形体形、保证顶拱曲率与应力拱相适应,并且,在施工期应尽可能沿σ⁰₁方向优先开挖、对应力集中的顶拱开挖不宜过多分幅、河谷应力条件下应优先开挖临江侧,此外,必须充分利用掌子面效应及时支护,抑制脆性岩体破裂扩展和时效变形。工程实践表明,防治脆性围岩高应力破裂的战略性措施能够降低洞室群围岩产生破裂破坏的总体风险,而战术性措施能够减小支护代价,提升工程安全性和经济合理性。     

高地应力隧道岩爆破坏特征物理模型试验研究

采用岩爆相似材料制作大尺寸物理模型,自主研制隧道开挖装置,进行二维应力隧道岩爆物理模型试验,研究高地应力条件下(侧压力系数λ=2)隧道围岩岩爆等脆性破坏特征。试验结果表明:隧道开挖后,围岩有较明显的压应变波动和突变现象,拱墙处局部出现拉应变;同时,声发射能量表现出剧烈增大现象,在应变、声发射特征这两方面均表现出高应力区隧道岩爆的征兆。高地应力条件下(侧压力系数λ=2),隧道拱顶和拱底压应力集中明显而最早发生破坏,拱墙出现拉应力作用,产生张拉裂缝。围岩脆性破坏从颗粒弹射开始,随后变为碎块剥落和裂缝扩展,其变形破坏特征表现出一定的岩爆特性。     

花岗岩巷道岩爆声发射振铃计数波动规律研究

开展室内岩爆模拟试验,利用声发射仪监测岩爆过程。分析了岩爆过程声发射振铃计数波动变化规律,运用散点数据差分求导的计算方法,提出一个刻画振铃计数波动特征的指标——振铃计数变化率ξ,基于统计学原理,分析了岩爆过程ξ值的异常变化特征,捕捉岩爆发生前兆。研究表明:岩爆发生前声发射振铃计数会连续出现大幅度波动,声发射ξ值超出稳定阶段波动范围。将稳定阶段声发射ξ值波动范围作为岩爆预警阈值ξ₀,提取ξ>ξ₀时声发射信号作为岩爆前兆信息,进行岩爆灾害预警。水平应力越大,岩爆预警阈值ξ₀越大,岩爆前兆响应系数σ越小。     

考虑应力路径的软黏土小应变特性试验研究

以苏南地区原状软黏土经K₀固结形成的试样为对象,利用配备了弯曲元系统和局部位移测量系统的GDS应力路径三轴测试系统,研究了小应变范围内应力路径转角θ对剪切模量衰减曲线以及阈值剪应变(γ_0.7)的影响。试验结果表明,土体的初始剪切模量G₀值与初始固结应力大小呈正相关关系,并可表示为与孔隙比e、平均有效应力p′相关的函数关系式。土体的剪切模量在10^-6~10^-3的应变范围内随着剪应变的增加而逐渐衰减,并表现出和试验应力路径与近期应力历史间夹角θ的相关性:应力路径对衰减曲线的影响随着应力路径转角θ的增大逐渐增大,当两者完全相反时,其影响最大。在K₀固结条件下,应力路径转角θ对γ_0.7的影响大于初始固结平均有效应力p′,同时γ_0.7值随着应力路径转角θ的增大而逐渐增大。     

节理岩体中隧道围岩变形特征分析

金鸡山隧道是国内首例双向八车道连拱隧道,隧道区域内节理发育,围岩破碎,隧道围岩位移受节理展布特征影响显著。通过对施工中中导洞开挖掌子面、区段断面及其它出露区域节理的采集,利用统计分析方法对隧道正洞区域内的节理展布预测。在此基础上,利用自行编制的非连续变形分析计算的断续节理扩展过程的模拟算法,对金鸡山隧道的位移特征进行分析。结果表明,金鸡山隧道在2组节理作用下隧道围岩位移以竖向位移为主,且最大位移发生在外侧拱肩部位,研究成果为隧道施工中支护加固提供依据。     

小净距隧道围岩的爆破振动影响规律研究

小净距隧道后行隧道爆破施工会引发相邻先行隧道围岩振动,振动强弱与隧道净距和单次炸药量相关,通过工程现场监测和数值模拟相结合的方式,对隧道净距的影响规律展开研究。结果表明,小净距隧道后行隧道掌子面起爆时,相邻先行隧道迎爆面拱腰处围岩爆破振动速度最大,最大振速随隧道净距的增大而不断减小,随单次炸药量的增大而增大。当Q/R³＜1×10^-3时,后行隧道掌子面爆破对先行隧道围岩的爆破振动影响可忽略不计。对先行隧道围岩最大振速进行萨道夫斯基公式拟合,得到小净距隧道相邻先行隧道Ⅲ级围岩最大振速预测方程中的场地系数K=8.73,衰减系数α=0.83。     

地应力对深大竖井稳定性影响研究

长大公路隧道通风竖井通常建设在地应力作用的岩体区域,地应力状态是影响竖井工程稳定性最重要的因素之一。为探明高地应力状态对深大竖井围岩的应力演化和变形规律的影响,依托米仓山特长隧道通风竖井工程,采用数值模拟对不同应力系数的竖井施工过程进行分析,研究了不同应力条件下大断面竖井沿不同深度的围岩应力特征及径向位移规律。研究结果表明:相差较大地应力系数对围岩位移分布规律产生较大影响;围岩径向位移与围岩级别及竖井深度呈正相关性,围岩级别变差比竖井深度增大对围岩径向位移的影响更为明显;但当竖井深度超过200 m时,随地应力系数增大竖井径向位移速率急剧增大;不同围岩级别条件下随竖井深度和应力系数的增大,径向应力和切向应力都呈增大趋势,但增大趋势较平缓;研究成果可为类似竖井工程的科研、设计和施工提供参考。     

PBL加劲型矩形钢管混凝土支管受拉节点有效分布宽度

为研究PBL加劲型矩形钢管混凝土支管受拉节点应力分布规律及其有效分布宽度,采用ABAQUS软件建立42个矩形空钢管、钢管混凝土及PBL加劲型矩形钢管混凝土节点有限元模型并进行位移加载;根据有限元计算结果拟合得到矩形空钢管、钢管混凝土及PBL加劲型矩形钢管混凝土节点的有效分布宽度表达式,将拟合公式计算值与CIDECT规范计算值和有限元计算值进行对比。结果表明:在节点受力全过程中,PBL加劲型矩形钢管混凝土节点相对于矩形空钢管节点和钢管混凝土节点的应力分布不均匀性减小;当加载位移达到3%b₀（b₀为主管宽度）时,PBL加劲型节点的有效分布宽度更大,具有更好的受力性能,支板应力分布效率ξ随主管宽厚比2γ与支主管厚度比τ的增大而减小,其中τ对ξ的影响更大;支板应力分布效率ξ随支主管宽度比β变化较小,且呈抛物线变化;拟合公式计算值与CIDECT规范计算值及有限元计算值吻合良好,验证了公式的正确性     

复杂地质条件下公路连拱隧道开挖稳定分析

通过对金丽温高速公路土羊湾连拱隧道的复杂地质条件进行调查和分析,利用ANSYS软件模拟了隧道开挖及加固过程,分别详细分析了在不同开挖步中隧道区域围岩的变形场和应力场及其变化特征。分析结果表明由于中隔墙和衬砌的重力作用,加固后围岩的向上位移值减小而向下位移值增加;而加固后研究区域的Y向应力均减小,说明衬砌很好地起到了加固围岩的作用。