弱胶结软岩巷道稳定性影响因素数值模拟研究

为研究影响弱胶结软岩巷道围岩稳定性的因素,以宁夏榆树井煤矿11801工作面顺槽为工程背景,采用FLAC3D程序,对弹性模量、内摩擦角、粘聚力、地应力、侧压系数及支护阻力对围岩位移的影响规律进行数值模拟。研究表明:弹性模量和粘聚力的变化对巷道围岩变形量的改变有显著的影响,而内摩擦角的影响与前两者相比较小,且一定范围内,弹性模量和粘聚力的变化对巷道顶底板收敛量的影响大于对两帮收敛量的影响,而内摩擦角的变化致使巷道四周围岩变形非对称的特征不明显;垂直应力和侧压系数的改变对顶底板围岩位移量的影响较大,对两帮的影响相对较小,侧压系数的大小是影响围岩变形的关键;较高的支护阻力能够迅速降低围岩的变形量,尤其是顶底板的位移量。研究成果可为巷道支护设计,围岩控制等工程实践提供依据。     

考虑劣化效应与支护时机的深埋软岩隧道变形分析

深埋软岩隧道的围岩变形与其自身参数劣化、流变特性及支护结构施作时机等密切相关.借助建立的深埋软岩圆形隧道复合式衬砌力学模型,在考虑塑性区围岩强度参数(黏聚力、内摩擦角)和刚度参数(弹性模量)的劣化效应后,基于统一强度准则得到了复合式衬砌支护结构各个支护阶段的围岩黏弹塑性解析式.研究结果表明：适当考虑中间主应力及围岩强度参数、刚度参数的劣化效应后,得到的变形量与深埋软岩隧道围岩的实际变形量吻合效果更好;残余黏聚力、残余内摩擦角、残余弹性模量对围岩瞬时变形、后期蠕变变形、二次衬砌支护抗力影响均较大,而且取值越小时围岩变形量与所需二次衬砌支护抗力越大;增加锚杆长度、缩小锚杆间距、增大初支厚度能有效控制围岩瞬时变形和后期蠕变变形;二次衬砌的施作时机对围岩后期蠕变变形影响较大,围岩瞬时变形结束后尽快施作二次衬砌可以有效控制围岩后期蠕变变形.     

巷道围岩塑性软化区粘聚力变化规律理论新解

塑性软化阶段粘聚力的变化规律是巷道围岩变形分区研究中十分关键的一个因素,它直接决定了各围岩变形分区范围的确定。为了揭示这一变化规律,借助解析几何的相关理论首先研究了塑性软化阶段环向应力与径向应力之间的关系,而后通过库伦准则、塑性软化阶段内摩擦角基本不变规律给出了该阶段粘聚力与环向应变之间的理想化线性关系。研究成果对围岩变形分区范围的确定、应力分布规律和应变分布规律的研究具有重要意义,对支护参数的量化设计具有重要的基础作用。     

基于收敛-约束法的软岩隧道初支时机估算——以义永公路枫坑隧道为例

围岩纵向变形曲线能直观、有效地反映隧道开挖过程中洞壁围岩变形受掌子面前端“空间效应”的影响,为支护结构施作的最佳时机提供理论依据。以某软岩大断面隧道为例,基于Unlu和Gercek推导围岩纵向变形曲线方程（位移释放系数）,在综合考虑泊松比和弹性模量以及粘聚力、内摩擦角、爆破参数等提出优化改进;运用FLAC3D分析改进围岩纵向变形曲线方程的合理性和有效性。结果表明:（1）围岩纵向变形曲线方程与弹性模量以及粘聚力、内摩擦角呈非线性正比关系,与爆破参数呈非线性反比关系;（2）对比现场监测数据与理论计算数据发现Unlu和Gercek推导围岩纵向变形曲线方程在x>=0段偏差较大,提出增加“扩大收敛函数”提高其精度,相关系数由原来的R-square=0.8左右,提高到R-square=0.95左右;（3）通过与数值模拟数据对比,改进后的围岩纵向变形曲线方程能更好的与其相吻合,证实了改进后的围岩纵向变形曲线方程更具有合理性和实用性;（4）提出围岩位移增量出现陡增点时的位移释放系数值为施加支护的最佳时机,得出Ⅲ级围岩在长台阶法施工施作时,距掌子面x=2.24m左右处开始施作支护为最佳,Ⅳ级围岩在采用CRD工法施作时,距掌子面x=1.47m左右处开始施作支护为最佳。     

基于D-P条件等效的黏性土隧道开挖地层力学行为有限元分析

基于三轴试验应力?应变结果,获取了依托工程黏性土强度参数。通过德鲁克?普拉格条件（D-P条件）等效,实现了摩尔?库伦（M-C）黏性土材料的D-P准则模拟方法。采用“间隙约束法”模拟衬砌支护时机对地层力学行为的影响。通过数值计算讨论了黏性土盾构隧道地层参数以及施工特性对地层力学行为及支护反力的影响。研究发现：黏聚力、内摩擦角以及开挖洞径对围岩塑性区半径及支护反力的影响基本呈线性关系,随黏聚力和内摩擦角的增大,塑性区半径和支护反力明显减小,内摩擦角的影响显著于黏聚力。开挖洞径由6 m增大到14 m,塑性区半径增大约210 %,支护反力增大约230 %。土侧压力系数将显著影响开挖后塑性区形状、范围以及支护反力的分布。随着支护时间的延后,塑性区逐渐增大,支护反力逐渐减小,当释放的位移超过总位移的40 %时,两者增减幅度均有明显降低。就依托工程而言,当将地层含水率控制在8 %~15 %间,当地层收敛约为总位移的20 %时,可充分发挥地层自承能力从而降低支护反力。     

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FLAC 3D的土钉支护结构地震稳定性分析

应用有限差分程序FLAC3D分析土钉支护结构的地震稳定性,分析了地震作用下的土钉轴力响应规律,得出了弹性模量、粘聚力、内摩擦角3个土参数对坡顶某点的位移影响规律,为土钉支护边坡稳定的数值分析提供了借鉴．     

富水软弱围岩偏压隧道超前支护施工技术研究

研究了富水软弱围岩偏压隧道超前支护及施工技术.依托国家一带一路重点项目云南临沧临翔至清水河高速公路马家寨隧道工程,通过有限元软件MIDAS GTS NX建立有无超前支护的隧道出口端有限元模型,分析无超前支护和长管棚超前支护工况下隧道围岩稳定性、初期支护应力及围岩塑性区的变化规律.结果表明:随着隧道开挖,拱顶沉降越来越大...     

隧道循环进尺的极限平衡分析

为使隧道施工中开挖进尺的选择更加合理,提出了掌子面超前核心土对数螺旋破坏模式,该模式由拱顶围岩与超前核心土两部分组成;针对拱顶围岩,基于Janssen筒仓理论和Mohr-Coulomb强度准则建立了竖向力计算公式,而针对掌子面超前核心土,基于对数螺旋破坏模式推导了循环进尺计算公式,建立了循环进尺与内摩擦角、黏聚力、支护压力、开挖高度等参数之间的相互关系.研究结果表明:在施工阶段考虑隧道掌子面稳定性时,必须考虑循环进尺的影响,掌子面附近围岩状态的短期改变会使掌子面超前核心土所需的支护力比未考虑循环进尺的情形急剧增长;黏聚力与内摩擦角的改善对循环进尺与掌子面区域稳定性具有重要的意义,而支护力对该区域的影响具有临界性,不可盲目增大.     

矩形巷道塑性区宽度计算方法研究

针对矩形巷道,运用三剪能量屈服准则作为巷道围岩的塑性条件,以极限平衡理论为基础,结合应力平衡原理,推算出矩形巷道边帮的塑性区宽度的计算公式,分析了不同的巷道开挖宽度和屈服准则下的塑性区宽度的变化趋势;采用单因素分析法,进一步分析了岩体粘聚力、岩体内摩擦角和原始地层压力对塑性区宽度的影响。结果表明:塑性区宽度随巷道开挖宽度和原始地层压力的增大而增大,随岩体粘聚力和内摩擦角的增大而减小;相同巷道宽度下,塑性区宽度的三剪能量屈服准则解相对于Mohr-Coulomb准则解和Drucker-Prager准则解偏小。     

软弱围岩下浅埋隧道稳定性的能量分析

基于能量的角度,采用极限分析理论中的上限定理对软弱围岩下浅埋隧道的稳定性进行分析,得到了围岩压力的理论公式。研究表明:埋深、土体容重越大及黏聚力、内摩擦角越小,浅埋隧道的围岩压力越大,破坏范围也越大;当埋深较大、围岩较好时,浅埋隧道由于自稳能力有可能不会发生破坏,而对于比较差的围岩,在施工过程中应采取更为安全可靠的支护措施,以防止发生垮塌破坏。     

硬岩隧道锚喷支护施工过程非线性有限元分析

聚丙烯纤维喷混凝土作为隧道锚喷支护中的新型支护方式,具有施工便捷特点,并可以改善混凝土的性能和耐久性。文章采用非线性有限元法对东巨寺沟硬质围岩铁路隧道进行了大断面开挖-锚喷支护施工全过程分析,分析了施工过程中围岩的位移变形、应力、塑性区分布特征,验证了隧道支护后的围岩稳定性和支护效果。     

深井软弱围岩联合控制技术及耦合叠加拱承载效应研究

为有效解决深井软弱围岩巷道稳定控制技术难题,以淮南某矿-962 m轨道大巷为工程背景,依据软岩应力-应变曲线及围岩应力变化和强度之间的关系,建立圆形巷道围岩破坏分区力学模型,将开挖后的巷道由表及里依次划分为残余区、塑性软化区、塑性硬化区及弹性区,以阐明锚杆(索)锚固系统变形失稳机制,并提出深井软弱围岩的控制要点及关键技术。在此基础上,提出高预应力支护构件遏制残余区扩展、有效的支护承载区发挥围岩承载能力、极大提高软弱围岩承载强度及完整性、薄弱部位补强支护形成完整承载圈等4个围岩控制要点,进而提出“以高强预应力锚杆(索)为核心,浅、深孔分次注浆为基础,底角与底板锚注加固为关键”的全断面强化联合控制方案。结合支护方案特点提出实现内、外承载的“耦合叠加承载拱”结构。该耦合承载拱将支护体与围岩的相互作用和所提供的径向支护力相统一,对锚杆(索)支护阻力具有显著的放大作用。研究结果表明：围岩残余范围随硬化系数、软化系数、支护阻力及内聚力和内摩擦角的增大而减小,随扩容系数的增大而增大,而残余区、塑性软化区、塑性硬化区的边界发生渐进式扩展变换是导致围岩大规模破碎和锚杆(索)锚固失效根本原因。通过工程计算...     

泡沫混凝土减震层对隧道地震响应影响分析

应用有限差分软件FLAC3D对泡沫混凝土减震层对花岗岩隧道地震响应的影响规律进行分析.综合考虑围岩位移、塑性区范围、应力场分布、应变增量等指标,得出增设泡沫混凝土减震层可以大幅降低围岩最大主应力以及衬砌结构的内力,有利于围岩的稳定.其次分析了减震层各物理力学参数对花岗岩隧道地震响应的具体影响,得出增加减震层变形模量或粘聚力可以大幅降低衬砌结构中的内力;而减震层的内摩擦角及泊松比的改变对减震层的减震效果影响较小.     

灰土褥垫层工作性能的数值模拟

结合CFG桩复合地基研究状况,利用ANSYS有限元程序,以数值分析的方法建立了CFG桩复合地基的整体弹塑性模型,分析了灰土褥垫层粘聚力和内摩擦角两个因素的变化对复合地基工作性能所产生的影响,得出:桩身应力沿深度变化的一个重要特征是其最大应力点不在桩顶,而是在桩顶下的某一深度处;随着灰土褥垫层粘聚力、内摩擦角、变形模量的增加,CFG桩复合地基的桩顶沉降量、桩顶应力值以及桩土应力比均增加,桩顶刺入量减小。     

基于FLAC3D强度折减法的边坡稳定性研究

目的针对影响边坡稳定的几个关键因素:粘聚力、坡角、内摩擦角和土体密度,分析各种影响因素对边坡稳定性的影响程度。方法利用FLAC3D数值计算方法,模拟计算出特定结构中各因素变化时的安全系数,并分析了各个影响因素对安全系数的影响程度。结果计算结果表明,对于边坡坡角变化范围较小的情况下,在粘聚力、坡角、内摩擦角、土体密度4个主要影响因素中,粘聚力对边坡安全系数影响最大,土体密度影响最小。结论说明黏聚力对边坡稳定性的影响最大。     

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.     

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。     

混凝土强度等级对加筋拱肋支护效应影响研究

加筋喷混凝土拱肋支护中喷混凝土强度等级不仅决定围岩稳定性,而且影响支护成本。以某交通隧道的软弱围岩段(Q=0.01)为背景,利用有限差分软件FLAC3D对比分析了C15~C45六种混凝土强度等级时该混凝土拱肋加固围岩的变形量与塑性屈服区大小。数值模拟结果表明:喷混凝土强度等级在C15~C35之间时,提高强度对限制围岩变形、减小围岩塑性屈服区体积效果明显,说明对特定软弱围岩存在一个较优强度等级取值区间,盲目采用高强度喷混凝土无助于改善拱肋支护效应且不经济。研究成果可为地下工程喷混凝土拱肋结构设计提供借鉴。     

隐伏溶洞位置组合效应对隧道施工影响的数值分析

岩溶隧道施工安全和支护结构稳定性与隐伏溶洞位置分布有关.本文通过Midas/gts进行数值模拟分析,研究隐伏溶洞不同位置组合下,隧道施工过程中的围岩变形与支护结构受力特性.数值模拟结果表明:隐伏溶洞群分布在隧道上部时,对隧道围岩变形及支护结构稳定性影响较小;当隐伏溶洞群分布在隧道下部时,若拱脚位置同时存在溶洞,则会对隧道支护结构稳定性与围岩变形产生较大影响,若拱脚位置无溶洞则对隧道围岩变形与支护结构稳定性影响不大;隐伏溶洞群分布在侧部对隧道围岩变形与支护结构稳定性影响最大.