热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。     

考虑中间主应力与渗流作用的巷道稳定理论解

为了探究渗流作用下不同中间主应力对圆形巷道围岩的影响,应用弹塑性力学理论,基于Drucker-Prager屈服准则,推导得出围岩塑性区半径与孔隙水压力之间的关系式;再由极值点失稳理论,确定围岩失稳的判别准则。结合实际工程,分析中间主应力系数对临界水压力的影响,结果表明:中间主应力对临界水压力有较大影响,采用D-P准则时中间主应力系数与临界水压力的关系曲线表现为类抛物线形式。当中间主应力系数取0.8时临界水压力达到最大值10.0 MPa;与基于MC准则的计算结果做对比,发现考虑中间主应力时D-P准则的临界水压力计算结果更能反映岩石多轴力学性能,可应用于较为完整的含水岩层支护设计优化。     

深埋隧洞开挖造成的应力变化过程

采用应力路径定义的安全系数计算方法,以锦屏二级水电站引水隧洞为例,采用FLAC3D软件分析深埋隧洞开挖造成的应力路径和安全系数变化过程.研究结果表明:在深埋隧洞开挖过程中,拱项、边墙和仰拱围岩的主应力、应力路径和安全系数变化规律基本一致;开挖面在监测断面2倍洞直径之内时,开挖开始引起监测断面处应力变化,在1倍洞直径之内时,变化则比较明显;在监测断面前约0.3倍洞直径时,会引起应力急剧变化;随着隧洞的开挖,围岩主应力的方向也会发生旋转,最大主应力方向最终旋转为隧洞的切向,中间主应力方向旋转为隧洞的轴向,最小主应力方向旋转为隧洞的径向;当开挖面通过监测断面后,安全系数趋于稳定值,且大于1,说明该隧洞在此种支护措施下是安全的.     

非均匀应力场下圆形隧洞围岩弹性应力分析

为了能更好的研究隧洞围岩在非均匀应力场下开挖过程中整体的稳定性,根据隧洞围岩在非均匀应力场下的模型特点,将隧洞围岩周围应力划分为两部分进行叠加。基于D-P准则与理想弹塑性本构关系,采用双调和方程和半逆解法,推导出非均匀应力场下圆形隧洞弹性区围岩应力的解析表达式,并通过Flac3D数值模拟对理论分析结果加以验证。结果表明：考虑中间主应力系数的影响时,中间主应力系数越大与之对应的侧压系数范围越小;侧压系数越大隧洞帮部集中应力降低,拱顶的集中应力增大;同时理论分析结果与数值模拟结果基本一致。在考虑非均匀应力场分布的力学模型更为准确地反映了隧洞围岩应力分布特点,对隧洞围岩的支护方案具有一定的意义。     

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.     

考虑中间主应力与约束损失的深埋圆形隧道围岩特征曲线分析

提出基于统一强度理论和非相关联流动法则,推导同时考虑中间主应力和约束损失两种因素作用下的围岩弹塑性应力-位移解析解.结合算例,分析中间主应力和约束损失对围岩特征曲线的影响规律.结果表明:考虑中间主应力的影响,能够充分发挥围岩的强度;考虑约束损失的影响,计算得到的围岩塑性区径向位移值减小,说明在利用围岩特征曲线进行支护设计时,同时考虑以上两种因素,能够取得较好的经济效益.     

隧洞围岩应力开挖扰动特征与规律研究

以锦屏二级水电站引水隧洞为研究实例,对引水隧洞掌子面推进过程中的围岩应力状态和主应力轴变化规律进行了研究.分别通过地质数据处理中的"极点图"表现方法和断裂力学应力状态参数应力三维度,来描述主应力轴的旋转变化规律和应力状态变化规律.研究表明,随着掌子面推进,掌子面前方的围岩主应力轴方向调整具有一定共性,均表现为最大、最小主应力以一定交角指向临空面,中间主应力近似平行临空面,隧洞围岩应力状态由三轴受压状态转化至双轴压缩或单轴压缩状态.最后,根据应力三维度随开挖进尺的变化关系和空间分布特征,将隧洞围岩开挖应力扰动区分为强应力扰动区和弱应力扰动区,分析了各扰动区的应力扰动特征和规律,相关结论与认识对于围岩开挖扰动研究具有较大的理论和工程意义.     

应力状态对井壁失稳安全性的影响分析

目前研究井壁失稳问题时,考虑的因素为井周应力状态与强度的相对关系。当最大主应力与最小主应力之差差值跃过莫尔圆包络线,即认为井壁发生剪切破坏,产生平行于井眼轴线的纵向裂缝,一般取切向应力与径向应力分别为最大最小主应力。但是在某些特殊构造区域,井壁轴向应力成为最大主应力,如果仍按照传统的切向应力与径向应力进行计算,得出的坍塌压力与实际相比偏小,会低估井壁失稳的风险。本文研究了计算坍塌压力时考虑轴向应力的判断条件,给出了解析判别式,提高了坍塌压力计算精度。当地层强度低于该临界值时,应选取轴向应力为最大主应力。本文可以为直井钻井设计提供参考依据。     

高水头作用下深埋长大隧洞围岩稳定的数值模拟研究

在深埋隧洞开挖过程中,不可避免地将会遇到高水压和高应力,以及这两个因素所控制和诱发的问题,因此分析水压作用对围岩稳定性的影响具有重要意义。针对研究高水压对深埋隧洞围岩稳定性的影响,结合锦屏二级水电站引水隧洞的实例采用FLAC3D软件进行数值模拟。通过计算不同水压力条件下的围岩最大变形量,建立围岩最大变形量与水压力之间的关系,求解临界水压力。当岩体强度满足一定条件时,只要水压力小于临界水压力,就可忽略水压对围岩稳定性的影响。结果表明:对于白山组大理岩Ⅱ类围岩可忽略水压作用;而对于白山组大理岩Ⅲ类围岩,高水压对其影响比较大,出现严重变形,需做支护处理。     

具有衬砌的圆形水工隧洞弹塑性应力统一解

针对具有衬砌的圆形水工隧洞,假定衬砌与围岩位移连续,考虑不同工况下主应力顺序、岩石应变软化和中间主应力等综合影响,采用统一强度理论和弹脆塑性软化模型,推导衬砌和围岩弹塑性应力统一解.选取不同的统一强度理论参数,可得到一系列应力场公式及塑性区半径与内压力的关系.通过工程算例分析知,考虑第一主应力的变化是正确的,更符合工程实际,并得出统一强度理论参数、软化特性参数对衬砌和围岩切向应力的影响规律.研究结果表明,统一强度理论参数和软化特性参数对衬砌与围岩塑性区切向应力的影响显著.     

统一强度理论下非均匀应力隧洞围岩抗力系数

基于统一强度理论,合理考虑了围岩的中间主应力和剪胀特性的影响,采用岩石材料的弹塑性模型和非关联线性流动法则,通过引入地应力侧压力系数λ,推导了非均匀应力场下圆形隧洞围岩抗力系数的通用计算公式。由于统一强度理论具有明确的物理意义和广泛的适用性,而侧压力系数的引入能更好地描述隧洞开挖后围岩所处的真实应力状态,因此推导出的抗力系数公式具有更广泛的意义。最后通过实例分析了围岩抗力系数与侧压力系数λ、极轴夹角θ和剪胀系数h之间的关系。分析表明:随着侧压力系数和剪胀系数的增大,围岩抗力系数逐渐减小,隧洞不同位置处围岩抗力系数也不相同,在隧洞两侧,围岩抗力系数值最大,在拱顶和拱底处最小。     

考虑衬砌屈服的深埋水工隧洞应力解析解

采用统一强度理论,根据不同工况下不同的应力状态,正确选择第1主应力,推导考虑衬砌屈服的深埋水工隧洞应力解析解.当选取不同的统一强度理论参数6时,可得到一系列有序的应力场公式、临界压力公式和塑性区半径与内水压力的关系,能适用于更多的材料和结构.通过工程算例,比较本文方法与传统方法的不同,说明考虑第1主应力的变化是正确的,更符合工程实际,并得出统一强度理论参数对衬砌和围岩应力的影响特性,最后根据临界压力给出了公式的适用条件.该结果为水工隧洞的弹塑性应力分析提供理论依据,对工程设计有一定的参考价值.     

用洞壁变形验算与预测地下工程的稳定性

本文首先介绍用弹塑性理论研究无支护隧洞洞壁围岩的稳定性。当判别为不稳定时,隧洞需立即支护。然后,用粘弹性理论研究支护和围岩联合作用时的稳定性。并介绍用径向位移与位移速度的流变数学模式研究围岩的稳定性。     

三轴压缩条件下沥青混合料中间主应力效应及破坏准则

针对沥青混合料强度试验方法及沥青路面设计采用的最大拉应力理论没有考虑中间主应力影响的问题,利用自主研发的三轴试验装置及方法,对AC-13C沥青混合料开展三向压缩试验,包括常规三轴强度试验及中间主应力试验,观察试件的破坏形态。建立三向压缩条件下AC-13C沥青混合料的八面体强度理论计算式。研究结果表明:随着侧向压力的增大,试件破坏形态逐渐从拉应变破坏转变为斜剪破坏;沥青混合料在三轴压缩条件下的强度明显大于单轴抗压强度;中间主应力对沥青混合料强度有显著影响:当中间主应力逐渐增大时,三轴破坏强度逐渐增大,但强度增长幅度逐渐减小;所建立的三向压缩条件下AC-13C沥青混合料的八面体强度理论计算式可为沥青路面材料及结构按三维应力状态设计提供参考;建议采用能够反映中间主应力效应的强度理论作为沥青混合料的破坏准则。     

改进H-B准则的层状岩体隧洞塑性区半径与应力场分析

基于改进的各向异性Hoek-Brown(H-B)强度准则,推导得到层状岩体隧洞围岩塑性区应力场表达式,获得围岩塑性应力分布和塑性区半径解析解.与横观各向同性应力解对比,论述应力分布计算式的正确性与优越性,并分析层理面与最大主应力方向夹角β,地应力p_0,围岩单轴抗压强度,以及H-B强度准则经验参数mi对塑性区半径的影响规律.以片麻岩体隧洞为例,重点讨论文中解对β的敏感性.结果表明:当β=90°时,应力随着隧洞半径r增大而增大的速度最快;β对塑性区半径R_p的大小有重要影响.     

地下圆形隧道开挖卸荷围岩弹塑性分析

针对地下圆形隧道,在分析开挖卸荷的基础上,分别给出了弹性和弹塑性围岩二次应力的计算表达式.在弹性不同侧压力条件下,分析了围压切向应力分布规律,当λ0.33时,圆形隧洞围岩将不出现拉应力.当围岩处于弹塑性状态时,考虑围岩稳定的前提下,扩大塑性区半径R,就可降低维持极限平衡状态所需的支护抗力pi,充分发挥了围岩的自承作用.     

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.     

考虑损伤和不均匀冻胀的寒区隧道弹塑性统一解

寒区隧道弹塑性解的分析能为寒区隧道稳定性研究提供依据。为此,考虑围岩不均匀冻胀特性建立弹塑性损伤力学计算模型,基于统一强度理论求解得到寒区隧道弹塑性应力场和位移场统一解,并对所得解进行验证和参数分析。结果表明:忽略围岩塑性损伤及体积冻胀率的寒区隧道弹塑性解偏于保守;考虑不均匀冻胀特性能准确地反映寒区隧道围岩的真实冻胀程度;考虑中间主应力效应能有效发挥冻结围岩的承载潜能;损伤程度比值λ/E_f、体积冻胀率ξ_V、不均匀冻胀系数k、统一强度理论参数b、初始地应力p₀以及位移释放系数η等参数对衬砌上径向应力σ_f和塑性半径r_p影响显著,应合理考虑不同参数在寒区隧道工程中的影响。该研究成果可为寒区隧道工程设计提供理论参考。     

锚杆支护下两向不等压深埋隧洞受力与变形弹性分析

为了给引水隧洞隧址选择和支护参数设计提供理论参考,采用均匀化方法,基于复变函数理论,推导了非均匀应力场下锚杆支护时深埋圆形隧洞的应力及位移弹性解析解,并给出了洞周切向应力及径向位移随围岩弹性模量、侧压力系数、锚杆长度、半径和环向间距等参数的变化规律。通过算例分析,得出以下结论:（1）随着围岩弹性模量的增大,隧洞洞周各点的切向应力和径向位移均减小,且对围岩弹性模量（单位:GPa）在[5,10]区间最敏感;（2）侧压力系数在（0,1]区间时,洞周最大切向应力和径向位移随其增大而减小;在[1,2]区间则相反,并对侧压力系数在[1,2]区间更敏感;（3）随着锚杆长度的增大,洞周的切向应力和径向位移逐渐减小;随着锚杆半径增大,洞周的切向应力逐渐增大,径向位移逐渐减小;而随着锚杆环向间距的增大,洞周应力和位移的变化趋势与锚杆半径的规律相反。     

基于Hoek-Brown的双向不等压隧道支护估算及工程应用

现行隧道塑性区分析中常基于轴对称荷载建立分析模型,忽略侧压力带来的影响。增加了对围岩侧压力的考虑,基于Hoek-Brown准则推导了双向不等压圆形隧道的塑性半径及应力计算式。依托滇中引水工程板凳山隧洞的监测数据,结合滑移剪切模型对隧道的极限位移和极限支护应力进行计算。结果表明:在确定围岩材料参数的条件下,塑性边界上的径向应力为恒值;环向应力在θ为0～30°范围内与侧压力成正比,在θ为30°～90°范围内与侧压力成反比,当θ取30°时环向应力为最大值,最终形成蝴蝶状的曲线。隧洞塑性区范围随着侧压力系数的降低呈现出上下端部小,中间部分大的椭圆形,在λ<0.38后,塑性区不再是可完整包裹开挖截面的椭圆形。基于滑移剪切模型对隧洞极限位移和极限支护应力进行计算,完善具有滇中红层特性的隧洞支护特征曲线。根据以上的计算结果对支护方案进行修正,并通过监测结果验证了方案的合理性。