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.     

轴对称荷载作用下圆形隧道围岩变形解析

根据隧道开挖后围岩中三向应力状态的渐变规律,分析了围岩的变形特性,对隧道围岩进行了合理分区.基于双剪统一强度理论中针对岩土材料提出的双剪三参数准则,推导了轴对称荷载下圆形隧道围岩中塑性区应力场、应变场、支护力和塑性区半径的解析解.经实例分析表明,所选强度理论符合岩体材料自身特殊的强度特性,考虑了中间主应力的影响,分析结果贴近围岩的真实状态.     

锚杆支护对围岩稳定作用的弹塑性力学计算与应用

从弹塑性力学计算出发，用锚杆两端对围岩体内锚固区施加的两组夹紧力来考虑锚杆支护对巷道围岩应力状态改变的影响；而描述锚固围岩体力学性质的粘结力和内摩擦角并未改变，建立了锚杆支护对围岩稳定作用的弹塑性力学模型。通过计算，得到了不同锚杆支护强度和锚固区半径下的围岩应力及塑性区半径的理论计算公式；分析了锚杆支护巷道的围岩应力分布及塑性区变化趋势。并在井下巷道的锚杆支护参数选定中进行了实际应用，锚杆支护弹塑性力学计算的解析解在理论上为锚杆麦护的董化设计提供了依据．     

考虑水-力耦合效应时软化围岩解析

基于线性Mohr-Coulomb(M-C)强度准则,改进考虑水-力耦合作用下应变软化围岩深埋圆形隧道的应力与位移求解的逐步位移法。该方法全面考虑水-力耦合作用下围岩强度和变形参数的劣化、剪胀角和塑性区内弹性应变的变化。基于平面应变的假设和改进的逐步位移法,将整个塑性区分为n个同心圆环,以弹塑性交界面处的应力应变作为塑性区的初始值,获得塑性区内的应力及位移解。同时,对水-力耦合作用下的强度及变形参数进行分析。研究结果表明:在考虑水-力耦合作用下,应力减小,收敛和塑性半径均变大,位移与塑性半径提高幅值分别为27.00%和3.17%。     

受水压作用下隧道围岩压力的非线性上限分析

针对浅埋隧道,在非线性破坏准则下,根据虚功率原理求解了围岩压力的上限解,并分析了不同因素对围岩压力的影响.研究结果表明:岩土材料破坏准则的非线性、地表荷载、孔隙水以及埋深对浅埋隧道的围岩压力都有较大的影响,尤其是决定岩土材料抗剪强度参数的非线性系数;另外,侧压力系数较小时,边墙的围岩压力较小,而顶部的围岩压力却很大,则此时需要注意和加强浅埋隧道顶部的支护措施,防止发生冒顶事故.     

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.     

基于非线性破坏准则的浅埋偏压隧道稳定性分析

根据虚功率原理,从能量的角度出发,对浅埋偏压隧道的稳定性系数和支护力进行求解,并且对计算结果进行对比与分析.结果表明:在线性破坏准则下,稳定性系数的计算结果与已有的研究成果基本一致,最大误差小于10%,验证了文中计算方法的正确性;在非线性破坏准则下,岩土材料的非线性破坏准则、隧道的埋深与地面坡角、地表荷载以及孔隙水等不利因素对支护力有较大的影响.文中还给出了不同参数值所对应的破坏面的位置,为浅埋偏压隧道的支护设计提供了理论依据.     

软破岩隧道围岩峰后剪胀变形及支护设计

从软破围岩剪胀变形平衡理论出发,结合隧道工程实例,运用理论分析、数值模型和现场监测的手段,研究了软破围岩隧道在开挖过程中随着支护强度的不同,围岩峰后剪胀变形的力学特征和对围岩的控制作用。结果表明,软破围岩隧道峰后剪胀变形的时间和空间效应非常明显,易产生过大的位移和应力,并导致围岩或支护结构破坏。隧道浅部围岩剪胀剧烈,深部剪胀较弱,随着隧道围岩半径的增大,浅部围岩膨胀快速下降,深部下降较慢。随着支护强度的提高,围岩位移随开挖半径的增加由陡急逐渐变得平缓。采用软破岩峰后剪胀变形模型进行分析,弥补了弹塑性理论在计算软破围岩变形缺陷,更能反映隧道围岩变形与支护对软破围岩稳定性和变形控制的作用。     

基于GZZ准则的圆隧围岩塑性圈三维非线性分析

为了研究三维非线性岩体强度准则下的圆隧塑性圈力学行为,基于考虑扩容影响的塑性中主应力表达式和三维非线性Hoek-Brown强度准则(GZZ准则),推导了理想弹塑性围岩塑性圈的径向应力方程。利用MATLAB编写有限差分程序,对塑性圈三维应力分布、塑性区半径及考虑扩容影响的围岩塑性圈位移进行计算,通过数据对比验证了计算方法的合理性。研究结果表明:基于GZZ准则计算的应力发展速率较快,扩容对其应力分布影响较弱;考虑三维情况的塑性区半径比二维情况的小,围岩可在较浅深度处达到弹性状态;考虑扩容影响的围岩塑性圈位移明显大于不考虑的情况。     

巷道支护力作用及影响因素分析

采用库伦-莫尔理论,对巷道圃岩出现塑性区前后支护力与圆岩应力之间的关系,以及不同塑性区力学参数下支护力与巷道围岩塑性区半径之间的关系进行了研究。结果表明,由于巷道实际支护力与原岩应力比值只有1／10～1／100,对不出现塑性区和破裂区的完整岩体巷道,支护力的作用是很小的,可以忽略不计。而当围岩中出现了塑性区和破裂区之后,支护力的作用才开始显现。提高支护力可直接减小圃岩破裂区（塑性区）范围,但提高支护力的主要作用是提高弹塑性区围岩压应力,达到提高破裂区（塑性区）岩体宏观强度的目的,从而减小塑性区和破裂区的范围。影响支护力作用效果的主要因素是塑性区力学参数。     

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。     

管棚注浆在浅埋松软地层中的预加固效果分析

管棚注浆法是浅埋地下工程通用的一种超前支护技术.为分析管棚注浆支护法在浅埋松软地层开挖中的支护效果,以某三孔框构式引水隧道洞口段浅埋松软地层为例,通过对管棚应变变化情况进行监测研究和对隧道施工过程中引起地表沉降进行现场监测,利用ADINA软件对不同支护条件下隧道开挖过程所产生地表沉降值进行数值模拟.以数值试验的定量分析作为理论基础,通过监测管棚形变和地表沉降数值变化,并对两者结果进行对比分析.结果表明,管棚注浆支护设计在浅埋松软地层开挖中应用效果显著,管棚注浆法能够在对隧道围岩进行超前预加固时形成一圈防护层,能分担部分隧道上覆岩层应力,从而较好地调节围岩应力重分布,同时又能有效地抑制围岩的变形.     

基于应变非线性软化的海底隧道围岩力学特性

采用弹性、峰后具有拐点的应变非线性软化本构模型,且同时考虑中主应力效应,在海水渗流和不同排水工况下,对海底隧道围岩弹塑性区应力分布规律、围岩与支护之间作用关系以及最小支护阻力进行研究,分析海水压力、上覆岩层厚度、有效孔隙度对围岩力学特性的影响,提H{渗流作用下隧道围岩稳定的海水压力临界值的概念,并绘制围岩(支护)特性曲线.研究结果表明:海底隧道排水越充分,围岩有效孔隙度越大,则塑性区开展范围越大,且递增幅度较大,围岩(支护)特性曲线也不同;当隧道埋深较浅时,在隧道周围只形成塑性区域,只有当埋深进一步加大时,才可能形成松弛区域.     

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.     

不同支护措施对浅埋隧道地表沉降的影响

浅埋隧道开挖不可避免地会引起地层变形和地表沉降,沉降过大时对地上结构物的安全带来威胁。本文运用有限元数值模型分析了浅埋隧道开挖对围岩变形以及地表沉降的影响作用。并讨论了不同的支护时机和初期支护强度对围岩的沉降变形的影响作用。     

考虑渗透力和Mohr-Coulomb准则时深埋球形洞室弹塑性解

采用Mohr-Coulomb屈服准则,利用所建立的力学模型推导了考虑渗透力作用下球形洞室弹塑性解析表达式。根据解析式,绘制了不同渗流力作用下考虑渗透力和不考虑时塑性区应力场变化图、塑性区半径与洞壁支护力关系曲线图以及圆形洞室与球形洞室塑性区半径对比曲线图,研究结果表明:球形洞室塑性区应力随其半径的增大而逐渐增大,随着渗透力的增加,径向和环向应力的增加幅度逐渐变大;渗流效应对球形洞室塑性区半径的影响十分显著;在支护力较小时,从洞室围岩稳定性角度出发,采用球形洞室比圆形洞室更有利,反之采用圆形洞室比球形洞室更有利。研究结果对隧洞支护设计具有重要的理论指导意义。     

地面超载条件下覆跨比对浅埋隧道稳定性的影响

以青岛地铁江西路站为工程背景,通过典型数值模型的计算与分析,研究了地面超载环境中覆跨比对浅埋隧道的变形与受力特征等开挖稳定性规律.结果表明:不同覆跨比下浅埋隧道的破坏形态相似,首先是拱肩部位的围岩发生剪切破坏,然后破坏面逐渐发展至地表,围岩的塑性区形状呈倒锥体;覆跨比大小对隧道的围岩稳定性影响显著,覆跨比小于0.2时,围岩的破坏程度严重,出现地表、拱顶沉降变形不收敛的现象;覆跨比增大,有利于加强围岩与支护的共同作用,可以控制地层的变形发展、降低围岩的应力扰动;地面超载值越高,隧道结构的变形与地表沉降越大,围岩的应力扰动也越严重.     

隧道工程设计施工中荷载与相应的支护参数浅析

从浅埋隧道衬砌荷载计算入手来剖析其荷载计算的"本质",进而找出其与超浅埋、深埋隧道荷载计算之间的关联,由此比较分析了超浅埋、浅埋与深埋隧道三者的支护参数。鉴于目前浅埋与超浅埋隧道设计、深埋隧道设计及同一断面不同围岩分级的隧道工程设计中存在的一些问题,提出了一些有益的分项建议。     

膨胀作用下板岩隧道支护结构力学响应数值模拟研究

富水板岩地层的膨胀问题一直是地下工程领域亟待解决的难点问题.以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道出现的膨胀问题为出发点,利用MIDAS/GTS软件建立二维平面应变非线性对称计算模型,将已取得的基于时间效应的富水板岩隧道围岩膨胀本构模型导入至MIDAS/GTS软件中,研究膨胀作用下板岩隧道支护结构力学响应机制.结果表明:板岩在膨胀作用过程中,围岩膨胀力成为影响支护结构内力的主要荷载,由于膨胀力的存在,拱脚处的轴力、剪力、弯矩和仰拱跨中弯矩、轴力均会显著增加;围岩在膨胀过程中,与支护结构密贴的围岩附近会产生明显的塑性区,塑性区主要集中在隧道仰拱以下区域和拱顶附近环形区域内,仰拱以下塑性区层次明显;塑性区的分布范围和隧道支护结构的位移之间呈正相关性.     

统一强度理论下小净距隧道围岩塑性区新解

将小净距隧道中岩柱塑性区不重叠的极限塑性区半径定义为塑性区贯穿半径,考虑中间主应力的影响,采用统一强度准则和Schwarz交替法,对小净距隧道的弹塑性状态进行分析,推导小净距隧道塑性区半径的解析表达式.通过算例,分析中间主应力、内摩擦角和黏聚力对理论解的影响.结果表明:当两隧道净距大于2.3倍的开挖半径时,两隧道之间的相互作用较小,塑性区半径趋于一个稳定值,稳定值比单孔隧道塑性区半径大17.7%,可近似按照单孔隧道进行处理;小净距隧的塑性区贯穿半径随着统一强度参数、内摩擦角和黏聚力的增大而减小;与同不考虑中间主应力作用相比,考虑中间主应力作用的塑性区贯穿半径减小9.19%~20.71%,充分发挥围岩的强度性能.