基于Drucker-Prager屈服准则及加卸载判据的圆形隧道围岩-支护作用机制探讨

隧道围岩-支护相互作用机制是隧道力学中的基础理论,为了准确描述围岩与支护结构对隧道应力变形的影响,假定围岩本构模型为理想弹塑性模型,采用适用于岩土材料的Drucker-Prager屈服准则,考虑加卸载判据,证明了圆形隧道的开挖过程是一个加载过程,支护过程是卸载过程。通过大型有限元仿真软件Abaqus计算了平面应变情况下圆形隧道开挖与支护过程的弹塑性解。数值分析结果与理论公式结果相吻合,表明开挖的过程是解除内压、增大压差的加载过程,支护过程为施加内压、减小压差的卸载过程。支护后的围岩应力增量和位移增量符合弹性规律,且支护过后的应力等于开挖后的应力减去弹性应力。支护过程的卸载效应使得开挖过程产生的塑性区变成了残余变形区。研究结果可为工程应用提供参考。     

深埋隧道围岩滑移面验证及稳定性分析

为了采用安全系数分析深埋圆形盾构隧道稳定性,以隧道围岩弹塑性区域的应力分布为基础,采用变分方法验证围岩滑移面的分布形态.将围岩简化为理想弹塑性材料,结合弹塑性区域应变分布获得围岩极限塑性半径.基于Mohr-Coulomb准则,选取隧道安全系数为极限塑性半径内沿隧道滑移面围岩的抗剪强度与剪切力之比,获得以安全系数为隧道稳定性指标的分析方法.通过算例分析得出极限应变与屈服应变比值、围岩力学参数和支护参数与隧道相对塑性半径和安全系数的关系.研究结果表明:增加围岩内聚力、内摩擦角及支护压力能有效抑制隧道塑性区半径发展与提高隧道安全系数;围岩变形协调能力越好,整体越稳定.     

基于双极坐标法浅埋圆形隧道围岩非线性弹塑性分析

考虑围岩的非线性特性,采用双极坐标系研究弹塑性半无限空间内浅埋隧道围岩应力分布和塑性区域。在连续、均匀和各项同性的无限半空间下建立浅埋隧道开挖模型,围岩求解问题可当作半无限平面问题,并且将平面依据双极坐标曲线划分。在地表均布荷载和隧道径向支护力作用下,基于广义Hoek-Brown强度准则推导出半无限空间内水平圆形隧道围岩的弹塑性应力解析解以及塑性半径、塑性区域范围和隧道临界支护力计算方法。最后,通过数值计算,分析地质强度指标、内部支护力、地表荷载和隧道埋深的变化对浅埋隧道围岩的塑性半径、塑性区域形状和应力分布的影响规律。通过与其他基于线性强度准则下的应力计算方法进行对比,验证本文方法的有效性。之后的结果显示,两种准则计算结果差距十分小。     

隧道开挖与支护的有限元动态模拟及检测数据对比分析

应用有限元软件ANSYS建立了隧道计算模型,采用平面应变模式的弹塑性方法及Druck-Prager屈服准则,对该隧道的开挖和支护进行了模拟计算,分别得到了各个开挖阶段和支护后的位移、应力图、支护结构内力图,以及开挖前和开挖后隧道围岩与支护结构的位移、应力变化规律。模拟计算结果与实测结果相近,为隧道应力集中部位的防治措施提供了依据。     

开挖方法对隧道围岩应力的影响分析

不同的开挖方法造成围岩应力变化及变形方式不同,因此在制定隧道监控量测方案时,应针对不同的开挖方法有所侧重地制定相应的方案,以实现围岩应力变化更为准确的预测,依从岩体的弹塑性Mohr-Coulomb屈服准则,将现场监测数据作为输入参数,建立弹塑性三维有限元分析模型.模型计算结果表明,三种开挖方式对拱腰竖向应力及最大主应力影响较小,其中,全断面开挖可导致局部区域产生较小的拉应力.所建模型能够兼顾精度和效率,便于程序实现,能为围岩的应力预测分析提供有效工具.     

航空铝合金应变空间弹塑性本构模型

从应变空间表述的塑性增量本构模型一般形式出发,根据航空铝合金等线性强化材料特性建立应变空间弹塑性本构模型。应变空间本构模型所需参数通过应力空间中对应参数转化得到,材料的屈服准则、流动法则、内变量和塑性模量等准则及参量均以应变空间的形式建立,从而构建适合铝合金等线性强化材料的弹塑性增量模型。通过算例计算,证明该模型与应力空间增量本构模型等效。该模型所需计算变量为可在线获得的应变,使应力分析计算大为简化,可以方便地求解应力空间本构模型难以求解的强化材料变形问题。因此特别适合于航空铝合金厚板预拉伸等金属变形加工工艺的应力分析。     

弹塑性问题的摄动随机有限元增量方程的建立和分析

将摄动随机有限元法引入到材料非线性问题的分析中,得出了弹塑性问题的摄动随机有限元增量方程组.通过两重迭代———平衡方程的迭代和本构关系的迭代,求解该非线性方程组,即可得到节点位移增量和单元应力增量的一阶和二阶变异量,从而求出其均值和方差,并进而利用叠加原理求得加载结束后单元应力的均值和方差.     

非均匀应力场下隧道围岩弹塑性分析统一解

为深入研究非均匀应力场下隧道围岩的弹塑性分析方法,基于统一强度准则,推导了非均匀应力场下隧道围岩应力及塑性区半径解析解.分析表明:隧道围岩弹塑性交界面上径向应力和切向应力均受中主应力系数b的影响,呈现出随着b值的增大,径向应力减小,切向应力增大的特点;同时隧道围岩塑性区半径随着b值的增大而减小,以b为0时隧道顶板围岩塑性区半径作为参照,b为0.25、0.5、0.75和1时塑性区半径分别减小19.2％、29.8％、36.3％和40.8％.表明在工程实践中若能不同程度地考虑中间主应力的影响具有重要意义.     

Mohr-Coulomb准则的弹塑性积分方法

基于Koiter法则,提出一种适用于Mohr-Coulomb非光滑本构模型的弹塑性积分方法;阐述Mohr-Coulomb准则角点问题产生的原因,采用经典的Kuhn-Tucker互补条件判断可能活跃的屈服面,将Kuhn-Tucker互补方程作为一类特殊的变分不等式,使用投影收缩算法进行求解,并进一步通过迭代确定实际活跃的屈服面;基于主应力特征方程,在主应力空间中计算屈服函数对应力分量的偏导数,同时在一般应力空间中执行应力返回。结果表明,所提出的算法解决了Mohr-Coulomb准则的角点问题,消除了光滑角点带来的误差,既避免了Mohr-Coulomb屈服函数在一般应力空间中角点处的数值奇异性,又不需要进行主应力空间法中所需的应力变换。     

埋深对TBM法掘进隧道应力变形的影响

为了研究不同隧道埋深对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响,对TBM法掘进隧道时的围岩稳定性进行有限元数值分析,分析不同埋深条件对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响。计算结果表明,随着埋深的增加,应力、位移、塑性区、发生岩爆的几率都有不同程度的增加。地应力以构造应力为主,洞周不存在拉应力区,塑性区呈环状分布。当埋深较大时,进行管片收敛变形计算时采用MC准则要优于DP准则,当侧压系数增大时,管片应力变形有不同程度的增加。掌子面附近管片收敛较小,往洞口方向收敛变形值逐渐增大,在距掌子面500 m之外的管片收敛变形趋于稳定。     

复杂地基应力和稳定非线性分析的不连续位移法

以间接边界元法的不连续位移法为基础，采用符合Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则的节理单元来模拟软弱夹层，给出了接增量常刚度迭代格式及其加速算法进行非线性分析的方法，讨论了在复杂地基应力分析和坝基深层稳定分析中的应用。理论研究和实际计算表明本文简单有效，收敛速度快，计算省时，是分析这类问题的一种好方法。     

滚动轴承的弹塑性静动力学响应

针对当前滚动轴承的弹塑性力学行为研究相对薄弱等问题，以深沟球轴承为例，建立了研究滚动轴承弹塑性静动力学特性的分析模型.该模型通过引入一个与应力球张量有关的混合硬化屈服准则，建立了各向同性材料的弹塑性增量型本构方程，基于Hertz接触理论确定了作用在内外套圈上荷载之间的关系，由对称性得到了正交曲线坐标系下1/4轴承外圈的平衡方程和相应的定解条件，并综合应用有限差分法和Newmark-β法对问题进行迭代求解.数值结果表明，荷载大小、轴承尺寸和材料的塑性性能均是轴承设计时应考虑的重要因素，传统的弹性模型会过高地估计轴承的刚度，而弹塑性模型能更加精准地描述滚动轴承的力学性能.     

硬质围岩铁路隧道初始地应力数值反演分析

在宝(鸡)-兰(州)复线东巨寺沟硬岩铁路隧道拱顶位移和位移收敛测试数据的基础上,采用有限元法对该隧道围岩的构造应力进行数值反演,利用地应力反演结果对隧道围岩稳定性进行了分析和评价.采用反演的地应力分析结果表明,拱顶下沉、水平位移收敛值与实测值接近,支护结构围岩处于稳定状态.     

高地应力区深埋隧道三维应力场数值模拟

结合高地应力区某深埋隧道工程,通过三维弹塑性有限元数值模拟,分析隧道掌子面推进过程中的围岩空间应力场状态和演化趋势.结果表明:当掌子面接近和通过某一断面时,围岩主应力大小和方向发生相应的变化.隧道开挖对平面σx、σy的主要影响范围约为0.5B,对围岩空间主应力和剪应力的影响范围约1.0B,对围岩位移和屈服接近度的影响范围分别为2.0B和1.0B.对高地应力区深埋隧道围岩稳定性分析、确定合理的支护措施以及制定合理的开挖方案具有重要的意义.     

深埋隧道施工过程的非线性动力学特性分析

为了地下空间的有效合理开发、施工优化、确保工程顺利进行,必需对深埋隧道围岩的稳定性进行分析.基于快速拉格朗日法和非线性动力学方法对隧道围岩的能量耗散特性进行分析,论证了围岩体的能量分布是其应力分布的决定因素以及由于岩体单元应力状态的变化而发生屈服准则的改变是其破坏的根本原因.阐叙了围岩系统状态和最大Lyapunov指数的关系,通过计算发现能量序列的最大Lyapunov指数为负数时,系统处于有序的定常态,围岩发生了急剧的屈服破坏现象,而最大Lyapunov指数为正数时,系统处于孕育变化的混沌状态,围岩处于相对稳定状态.     

基于M-C准则下非线性材料弹塑性矩阵的推导

由于利用应力不变量以统一形式表达四个屈服准则本构关系的方法应用于摩尔—库仑准则时，在计算中会有奇点出现．针对非线性材料的弹塑性变形特征和其屈服面的非正则性的特点．采用增量理论和等向强化模型，直接导出了平面应力状态下的应力应变间本构关系的弹塑性矩阵。不仅避开原方法中的奇点问题，提高了计算精度，而且概念清晰，便于运用．     

某隧道在不同侧压系数条件下的FLAC3D数值分析

运用FLAC3D数值方法对某隧道围岩进行开挖模拟,计算中采用摩尔—库仑弹塑性计算模型。通过计算得出在不同侧压系数的条件下,构造应力对隧道拱顶下沉、边墙水平收敛大小以及塑性区的影响,为隧道工程设计与施工提供科学的参考。     

软弱围岩隧道侧压力系数反演分析

针对复杂的应力场对软弱围岩隧道变形影响较大的情况,借助监测位移信息结合反演理论,采用数值方法,确定围岩的侧压力系数.对韩杖子隧道现场监测、隧道洞周围岩变形值,对拱顶下沉现场监测数据,以及洞周围岩水平变形,分别采用指数、双曲和对数模型进行MATLAB回归分析,并利用FISH语言编制求解侧压系数λ的命令,依据弹塑性位移反分析法,通过采用黄金分割法,得出最佳时态曲线方程以及实现对侧向压力系数λ的反演分析,得到λ最终解为1.130,结果达到收敛精度要求,对λ进行反演具有重要的研究意义.     

基于Hoek-Brown准则的渝中连接隧道连拱段施工力学研究

结合重庆渝中连接隧道连拱段的施工过程,建立了基于Hoek-Brown准则的有限元分析模型,对隧道施工过程的围岩位移、应力和塑性区特征及支护结构的应力特征进行了研究,得到了围岩位移随施工步的变化特征和应力及塑性区的影响范围,指出了加强监控量测和支护的位置。通过中导洞水平收敛监测位移与模拟计算的围岩位移的对比分析,检验了数值模拟采用的本构关系和物理力学参数的正确性,也验证了隧道支护设计参数的合理性。     

深埋隧道围岩应变软化模型参数的正交设计

研究高应力环境下岩体单元塑性软化变形对深埋隧道围岩位移的影响规律,采用基于莫尔库仑与拉破坏复合破坏准则的应变软化模型对深埋隧道的开挖卸荷进行数值仿真,按照正交实验方法设计计算方案。根据计算结果,得出应变软化模型力学参数对围岩水平收敛位移影响程度的大小,建立围岩水平收敛位移与应变软化模型力学参数之间的经验公式,为深埋隧道围岩的稳定性分析提供了理论依据,对实际工程施工也有重要的参考价值。