深部隧道围岩的流变

为了准确地分析深部隧道围岩在高应力区的流变现象,保持岩土工程的长期稳定性,利用Shvedov-B ingham模型理论,研究了隧道围岩在初始时刻出现塑性区情况下的流变情况,并考虑了塑性区及弹性区力学性质的不同。分析了不同区域岩体的剪应力和体积变化规律。通过理论推导,给出了流变区半径及应力应变的解析解,并分析了应力分布及流变半径的变化规律。指出研究深部隧道围岩的流变,初始参照状态应该取为弹塑性状态。     

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。     

基于强度折减和上限有限元的椭圆形毛洞隧道围岩稳定性分析

将强度折减法引入刚体平动运动单元上限有限元并编制计算程序,针对椭圆形毛洞隧道围岩稳定性和破坏模式开展计算分析,获得了围岩抗剪强度参数、隧道埋深、跨度等与安全系数的关系曲线,并探讨了围岩强度折减极限状态对应的刚性块体破坏模式的形态特征.结果表明:强度折减法可方便嵌入运动单元上限有限元非线性规划模型;围岩安全系数与其围岩强度参数正相关,与埋深比和跨度比负相关;隧道跨度对安全系数的影响较为明显,当隧道跨度与高度比(B/D)由0.5增加到2.0时,安全系数降低幅度处于27%~46%之间;强度折减极限状态下刚体平动运动单元上限有限元所得围岩破坏模式形态鲜明,其主要滑动破坏面由隧道底部或边墙处延伸至地表,错动的滑移线集中于隧道拱部和边墙上方,而水平破坏区域延伸范围均小于1.5倍隧道高度.     

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.     

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。     

特大跨度隧道双侧壁导坑法施工时塑性区研究

以某特大跨度隧道为背景,研究了双侧壁导坑法对隧道围岩稳定性的影响,通过有限元计算软件对隧道开挖后围岩弹塑性问题进行了模拟分析.在隧道左右导洞开挖和支护过程中,要及时对两导洞及掌子面进行临时支护,以防围岩塑性区范围过大,变形而导致失稳,影响隧道施工安全.     

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.     

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.     

基于单元安全系数法的浅埋隧道三台阶法开挖进尺优化

为进一步研究浅埋隧道三台阶法开挖进尺问题,以鹅岭隧道为工程背景,采用FLAC3D有限差分法数值模拟软件建立了隧道三维稳定性分析模型,模拟了4种开挖方案,并引入单元安全系数法,计算了隧道围岩各区域的安全系数,分析了隧道围岩潜在的破坏形式,确定了三台阶法合理的开挖参数。通过对比分析围岩的安全系数、位移、应力、塑性区可得,上台阶开挖长度越长,中、下台阶开挖以及前方土体对隧道工作面的挤压越小,越有利于隧道开挖面的稳定性;而台阶越长,支护间隔越长,支护效果就越差,安全系数就越小,隧道围岩的失稳风险就越大。在施工过程中,隧道最危险的部位为拱脚与拱底处,建议采取方案一进行开挖,各台阶之间为不同步开挖,且预留核心土,上台阶开挖长度宜为5~10 m,开挖进尺宜为0.5~0.6 m。     

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.     

考虑岩体损伤和注浆加固效应的单元稳定性

为了研究注浆对节理岩体损伤的加固效应,从微观角度出发,引入岩体修复因子的概念,构建考虑岩体损伤和注浆加固效应的单元安全系数,以判断岩体的稳定性;然后,利用FLAC3D软件建立数值计算模型,采用FISH语言二次开发单元安全系数程序,得到隧道开挖后围岩不同部位的单元安全系数,将其与FLAC3D软件所得的的塑性区分布进行对比.研究结果表明:单元安全系数Fs≤1的区域与FLAC3D计算得到的塑性区分布范围一致,验证了所推导的单元安全系数计算公式以及自编程序的正确性.     

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。     

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。     

大凉山深埋软弱围岩公路隧道塌方机理及处治措施

为研究山区深埋隧道塌方机理,以乐西高速大凉山2号隧道工程为工程背景,采用有限元软件MIDAS GTS NX模拟塌方段围岩稳定性,对隧道塌方成因进行分析,提出相应处治措施,并通过现场监测验证其合理性。结果表明：该段处于泥砂岩地层与灰岩地层交界处,节理裂隙发育,岩体松散破碎,裂隙水的渗流使围岩稳定性降低导致隧道塌方;塌方段拱顶沉降量为177.02 mm,拱腰水平收敛量为68.21 mm,围岩变形量较大;围岩塑性区出现在上中台阶掌子面,应变最大值为3.027×10-²,将发生塑性破坏。采用大管棚＋双层超前小导管补强支护对塌方段进行加固,处治效果良好,为后续类似工程提供指导借鉴。     

隐伏溶洞影响下隧道开挖稳定性数值模拟

隐伏溶洞是引起隧道围岩失稳甚至塌方的常见不良地质之一,为分析其对隧道开挖稳定性的影响,采用FLAC3D有限差分法和现场监测手段,探讨了隐伏溶洞尺寸、溶洞与隧道净距及溶洞位置对隧道开挖过程中围岩应力场、应变场及隧道变形的影响规律。研究表明：①围岩最大剪应力与最大剪应变增量均随溶洞尺寸增大而增大（随净距增大而减小）,塑性区集中于隧道-溶洞中间岩柱;②隧道变形时程曲线呈“S”形,隧道变形随溶洞尺寸增大而增大（随净距增大而减小）;③当溶洞直径大于0.6倍隧道宽度,且与隧道净距小于0.6倍隧道宽度时,隐伏溶洞对围岩塑性区和隧道变形具有明显影响,且隧道侧部溶洞对隧道稳定性最为不利;④建议岩溶隧道工程采用动态化设计、施工及监测,并采用综合超前地质预报探明实时地质情况。     

断层产状对围岩稳定性影响的敏感度分析

岩体裂隙及断层破碎带等地质结构面对地下洞室围岩稳定性具有重要的影响,断层破碎带与洞轴线的相对空间位置是一关键因素.以西南某水电站导流洞为工程背景,采用数值模拟手段来研究断层走向及倾角对隧洞围岩稳定的影响.计算结果表明:断层走向越小,倾角越大,洞周围岩的稳定性越好;应加强断层附近洞顶和洞底的支护措施.研究成果可以为类似工程的布置和设计提供理论依据.     

基于岩体质量Q系统的隧道围岩分级

岩体质量Q系统未考虑隧道上覆不同地质条件岩土体位置关系的相互影响。阐述了岩体质量Q系统在进行围岩分级时存在的问题,基于摩尔-库伦强度准则,提出了计算隧道围岩松动区和承载区的公式,得出当隧道围岩等级越高,即围岩稳定性越差时,松动区外半径、承载区外半径以及塑性区外半径越大;通过将理论分析方法与数值模拟方法相结合,求出了隧道围岩重要性系数,提出了一种隧道围岩分级新计算公式。     

锚杆支护下深埋圆形洞室塑性区半径的近似解

基于无支护条件下深埋圆形洞室塑性区半径的经典求解公式,导出了塑性区半径与围岩单轴抗压强度和黏聚力之间的关系式,进行了围岩体内摩擦角和黏结强度对塑性区半径的影响敏感性对比分析,得出黏聚力对塑性区半径的影响比内摩擦角对其影响敏感性强。基于国内外学者对黏结式锚杆加固机理研究成果,导出了深埋圆形洞室锚杆支护条件下塑性区半径的近似计算公式,通过具体算例进行分析,结果表明:开挖半径一定情况下,锚杆支护下深埋圆形洞室的塑性区半径的大小不仅跟岩石本身特性有关,而且跟锚杆的规格、力学性能及布置情况都存在关系。