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。     

地应力对脆性岩体洞群稳定性的影响

利用岩体脆性破坏准则和Examine2D软件,分析不同地应力及洞形、洞群下围岩破坏深度af变化规律。基于中国大陆地应力分布规律,分析三大岩类代表性岩石性质随洞室埋深af变化规律并与实际工程进行对比。研究结果表明:af与主应力比k近似呈直线关系,随着k增加,屈服范围逐渐偏离最小主应力向45°夹角发展;单洞室破坏范围呈轴对称形式,多洞室破坏范围呈点对称方式;当主应力方向与洞轴连线呈45°时,屈服范围最易于合并;洞群效应随洞间距增加逐渐降低;洞形不同应力集中系数不同,选择长短轴长度之比与应力比k相接近的椭圆形谐洞,可有效降低破坏深度;af与岩石单轴抗压强度σc呈指数函数关系,当σc大于(9σ10-3σ30)(其中,σ10和σ30分别为最大、最小初始地应力)时,不会发生脆性破坏;af变化规律与实际结果具有较好的一致性;采用脆性岩体破坏准则可对破坏深度进行预测。     

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。     

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。     

基于非线性破坏准则的隧道顶板稳定性分析

利用数值方法建立了隧道计算模型,采用Hoek-Brown准则描述隧道围岩破坏情况,通过厚度折减法,分析了Hoek-Brown准则情况下,隧道开挖的顶板稳定性.得出结论:①随着隧道跨度的增大,安全顶板厚度也逐渐增大,二者关系符合线性特征;②隧道围岩开挖后,大部分处于受压状态,仅在隧道正上方局部位置存在拉应力区域:随着隧道跨度的增大,顶部围岩所承受的拉应力逐渐增大;③跨度较小时.隧道顶板和边墙主要发生剪切破坏,破坏范围呈现以隧道为中心向外扩散的翼型形状;随着跨度的增大,此范围出现部分拉剪破坏区域.     

功能梯度材料V型缺口根部裂纹场强特性分析

为研究功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端附近的应力场强特性,讨论了指数型梯度材料的裂纹场强特点.以双边V型缺口试件为研究对象,建立试件的有限元分析模型.基于分层法分析静态载荷和阶跃冲击载荷下功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端的应力场强.研究结果表明:静载荷下,缺口根部裂纹前沿中面裂尖等效应力、位移及应力强度因子随着梯度参数β的增大而增大;应力强度因子K随张开角α的增大而减小,且在0°~60°之间减小缓慢,而在60°~90°之间减小程度明显,而在大于90°时随张开角α迅速减小.在冲击阶跃载荷下随着梯度参数β的增大,其动态应力强度因子值减小.     

基于Hoek-Brown非线性极限平衡法的边坡安全系数

为了建立Hoek-Brown非线性准则下边坡安全系数计算的极限平衡法,通过理论推导与Hoek-Brown参数相对应的等效黏结力和内摩擦角,得到Hoek-Brown准则中简化Bishop极限平衡法计算边坡的安全系数公式,并分析Hoek-Brown参数对于边坡安全系数的影响,研究结果表明:岩体材料的等效黏结力与弱化因子D呈线性关系,而与岩体地质强度指标IGS、完整岩石单轴抗压强度σci和完整岩石参数mi呈非线性关系;等效内摩擦角与各Hoek-Brown参数均呈非线性关系.随D的增大,边坡安全系数F线性减小;随IGS的增大,F非线性增大;当σci较小时,F和σci关系呈现一定非线性特征,当σci较大时,二者呈现线性关系特征;F随mi的增大,呈先减小后增大的趋势.     

无压隧洞围岩稳定可靠度分析

文章以刚体极限平衡的随机块体理论及地应力、围岩二次应力的强度理论建立概率极限状态方程,用可靠度理论进行无压水工隧洞围岩稳定分析,所得计算成果符合实际。使无压水工隧洞的完建期和检修期的围岩稳定问题得到较为满意的解决。     

断续节理倾角对围岩变形破坏影响的数值分析

断续节理的存在使围岩的稳定性、变形特征和应力分布更加复杂。基于颗粒流强度折减法,用PFC~(2D)分析不同倾角断续节理围岩的应力分布、变形特征及破坏模式。结果表明:随着节理倾角的增加,洞周应力集中的位置从倾角为0°时在洞左上、右下角逐渐逆时针旋转至倾角为90°时在洞两侧,同时节理间的应力分布从集中在对角线上逐渐变成均匀分布于整个岩块上,应力分布的不同最终导致围岩的破坏不同;节理与洞壁相交处位移较大,左右边墙中点位移受到断续节理倾角的影响远大于拱顶底中点位移受到的影响;断续节理倾角较小时,围岩损伤的范围更大且损伤更严重。为进一步了解在断续节理岩体中开挖洞室后围岩的破坏机理及采取相应的支护措施提供一定的指导。     

深埋地下硐室破坏模式与围岩压力上限解

为了获得更合理的深埋地下硐室破坏模式和更精确的深埋地下硐室围岩压力,在分析研究已有深埋硐室破坏模式的基础上,构建"楔形塌落体+转动圆弧体"的深埋硐室破坏模式。运用非线性Mohr-Coulomb破坏准则(即M-C破坏准则)下的极限分析解析法,推导得到"楔形塌落体+转动圆弧体"破坏模式的围岩压力表达式。通过数值模拟、理论验证和工程实践对比,证明改进后硐室破坏模式的合理性和采用极限分析非线性理论计算围岩压力的可靠性。根据该硐室破坏模式,研究各参数对围岩压力的影响。研究结果表明:围岩压力随着非线性系数的增大而增大,随着侧压系数和内摩擦角的增大而逐渐减小;非线性系数和侧压系数对围岩压力的影响明显大于内摩擦角对围岩压力的影响;通过减小非线性系数、增大侧压系数和选择内摩擦角较大的围岩进行开挖可有效提高围岩稳定性。     

大跨度矩形巷道围岩失稳破坏机制及数值模拟

巷道围岩的失稳破坏是资源开采阶段面临的重要问题。首先,对巷道围岩失稳机制进行了理论分析,探究巷道稳定性的主要因素,并基于ANSYS/LS-DYNA仿真平台对不同跨度巷道（4 、6 、8 、10 m）进行动静荷载耦合响应数值模拟分析。结果表明：当巷道埋深、底板梁厚度等因素一定时,巷道跨度是影响巷道围岩失稳的主要因素。巷道围岩在初始静应力场作用时,第一主应力随着跨度的增加呈现逐渐增大的趋势;跨度的增加（10 m）会使巷道围岩x和y方向的应力发生突增现象,均在巷道底板处有相对较大的拉应力。巷道跨度的增大,导致左右两帮的移近量有所增加;顶板下沉和底板隆起的程度显著增加,加剧巷道失稳破坏风险。在静动荷载耦合作用下,巷道围岩发生失稳破坏,破坏程度随跨度的增加而增加。     

圆形洞室应力状态及塑性区分析

为了研究圆形洞室开挖后洞壁围岩和工作面前方围岩的应力状态和塑性区范围,采用数值模拟和理论计算相结合的方法,对不同埋深下的圆形洞室进行了FLAC3D模拟,揭示了开挖后的力学特性。结果表明:对于洞壁围岩而言,随着初始应力的增加,最大的切应力不是线性增加的,其增加的幅度在逐渐减小;而最大切应力与初始应力的比值维持在稳定的范围内。塑性区范围随埋深的增加在逐渐地扩大,但增加的幅度也在减小。对工作面前方围岩而言,切向应力和径向应力逐渐靠近初始应力的速度明显快于洞壁围岩,但其切向应力明显小于洞壁围岩的切向应力;随着埋深的增加,工作面前方最大切应力与初始应力的比值处于缓慢增加的过程;随着埋深的增加,工作面前方围岩的塑性区范围比洞壁围岩的大,进一步验证了工作面处存在应力集中现象。     

地震动多角度斜入射下无压隧洞地震响应分析

为研究地震动多角度倾斜入射下无压水工隧洞动力响应特征和规律,采用黏弹性人工边界模拟无限地基的辐射阻尼和弹性恢复力,将地震动转化为人工边界节点上的节点力,以实现地震动的非一致性输入.通过ABAQUS建立水工隧洞模型,将不同入射角度P波、SV波输入模型中,分析隧洞衬砌结构的环向应力、径向应力随地震动入射角度、缩放系数、隧洞埋深、洞身直径以及衬砌厚度的变化.结果表明,同一地震动入射倾角下,随着入射方位角的增大,环向应力逐渐减小,径向应力逐渐增大.地震动峰值加速度（Peak Ground Acceleration,PGA）显著影响衬砌结构应力,并且应力数值随PGA的变化呈整数倍增大;随着隧洞埋深由浅埋向中埋、深埋发展,隧洞应力先逐渐增大后减小,后趋于稳定;随着洞身直径的增大,环向、径向应力分别受P波、SV波影响,洞身直径每增加2 m,环向、径向应力分别增大约16%、21%;衬砌厚度每增加0.1 m,径向应力降低10%左右,当地震波垂直隧洞轴线入射时,衬砌厚度超过1.0 m后,对应力的影响效果减弱.     

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。     

不同应力场软弱围岩公路连拱隧道力学特征试验

为了更全面了解不同应力场软弱围岩公路连拱隧道的力学特征,选择曲中墙连拱隧道结构形式,基于"先加载后开洞"思路,开展施工过程相似模拟试验,研究不同应力场软弱围岩连拱隧道施工应力变化特征,分析应力场对支护结构受力的影响。试验结果表明:不同应力场,在左、右洞开挖过程中,侧压力系数较小时,拱底和拱顶应力释放最为显著,侧压力系数较大时,拱腰应力释放最为显著;围岩与衬砌接触压力,除在中墙顶、底方向随侧压力系数的增大而略有减小外,其他各方向均随侧压力系数的增大而增大;中墙压应力的量值随侧压力系数的减小而增大;左、右洞衬砌结构内外侧受力不对称,且侧压力系数对衬砌结构的切向应力影响很大,即随着侧压力系数的增大,切向应力最大值位置逐渐由外侧拱腰向拱顶过渡。     

考虑应力路径的深埋高地温隧洞黏弹-塑性围岩解析解

高地温深埋水工隧洞黏弹—塑性岩体中,由于高温环境的影响和隧洞降温等,致使围岩产生一定的温度应力。因此研究高地温隧洞围岩解析解时必须研究温度应力对围岩塑性区以及应力应变的影响。基于广义Kelvin模型与Bingham模型组成的高地温深埋水工隧洞黏弹塑性围岩力学模型,并在考虑应力路径对围岩与支护的影响下,结合高地温环境中温度应力对围岩与衬砌的影响,进而推导高地温环境热力耦合作用下围岩应力、应变、洞壁位移以及围岩塑性区半径的解析解。基于新疆某高地温水工隧洞工程进行分析与计算,对温度、围岩应力应变及塑性区半径的关系展开理论计算与分析。结果表明,考虑温度应力后计算得到的围岩位移更小。当隧洞内温度变化到达一定量时,所产生的温度应力可能会对围岩与衬砌相互作用的稳定性产生影响。     

回采巷道底板破坏范围及其影响研究

针对回采巷道底板破坏深度确定难题,以蒋家河煤矿ZF204工作面运输顺槽为研究背景,采用现场实测、物理相似模拟和数值计算相结合的方法,掌握了巷道两帮脚挤压破碎和底鼓规律,建立了底板破坏力学模型,分析了巷道底板的极限承载力,揭示了巷道底板挤压流动型变形的破坏机理。研究发现,巷道两帮下部的底板极限承载力与内聚力成正比关系,并且随着内摩擦角的增大,巷道极限承载力随内聚力的增大的幅度越大。内聚力一定时,极限承载力随着内摩擦角的减小而降低。围岩渐进破坏参数的折减系数小于1时,极限承载力随着折减系数呈降速减小。基于上述分析,建立了巷道底板极限平衡深度计算模型,得出巷帮极限平衡区宽度与巷道底板破坏深度成线性增长关系,给出了巷道底板最大破坏深度和位置计算公式。基于底板破坏引起极限平衡圈演化研究,完善了巷道支护的极限平衡圈理论。     

高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响：以玉龙雪山隧道工程为例

为研究高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响,依托玉龙雪山隧道工程,基于现场长期监测数据,结合有限差分程序FLAC3D建立数值分析模型,研究超前平导对主洞围岩应力、围岩位移和塑性区分布的影响,明确主洞与平导间最优间距。研究结果表明:主洞开挖过程中,当掌子面与监测面距离为3.63倍主洞洞宽时,监测面拱顶沉降、上收敛、中收敛和下收敛值占最终变形值的80%以上,围岩变形稳定后上收敛值和中收敛值均大于拱顶沉降;平导超前开挖可有效改善主洞围岩应力环境,主洞与平导间距较大时,围岩应力改善效果不佳,随着二者间距逐渐减小,围岩应力改善效果逐渐增强,但主洞与平导间距过小时,二者开挖产生的塑性区会贯通,综合考虑,确定主洞与导洞最优间距为3.5倍导洞宽度;主洞拱顶沉降值和拱底隆起值随着主洞与平导间距的减小而增大,左右拱腰水平位移值随着主洞与平导间距的减小先减小后增大,当二者间距由5.0D减小至3.0D时,拱顶沉降值和拱底隆起值分别从-0.598m和0.426m增加至-0.679m和0.514m。     

CRH5型动车组轮轨滚动接触应力及疲劳寿命的有限元仿真分析

为了研究CRH5型动车组轮轨在实际滚动接触过程中受力大小、分布以及由于循环应力作用而产生的疲劳问题,采用大型有限元模拟软件ABAQUS对其实际运行过程进行仿真模拟.结果表明:随着轴重载荷的增加,轮轨接触部位等效应力不断增大;车轮所受等效应力随距表深度的增加而减小,在距表深度10mm范围内等效应力较大;钢轨上的等效应力随距表深度先增大后减小,应力最大值出现在距表深度12mm处.采用S-N曲线折减法和疲劳分析软件Fe-safe对不同轴重车轮滚动接触疲劳寿命进行预测,2种计算结果表明:14、16、18、20t轴重下的车轮寿命均在6×10~7次循环以上,安全行驶距离大于1.2×10~6 km,符合CRH5型动车组三级以上检修周期要求.     

裂缝诱导损伤力学模型研究

水力压裂后,当微裂缝闭合时初始损伤带的诱导应力导致围岩应力重新分布.为确定初次压裂后应力分布规律,将围岩区域分为破坏区、损伤区和弹性区,建立了基于损伤理论的人工裂缝诱导应力模型,选择吉林油田1口生产井为研究对象,计算结果表明:人工裂缝诱导应力随井筒的距离的增大而逐渐减小,计算结果与实际情况吻合较好.