基于广义SMP准则的线性软化柱形孔扩张分析

针对非脆性软化剪胀土中柱形孔扩张问题,将摩擦黏性土体损伤后的软化特性用材料的力学性能参数下降来描述,引入了损伤软化参数.同时考虑土体的剪胀与内摩擦角、黏聚力以及平均应力的相关性和软化特性对应力-剪胀关系的影响,采用了引进损伤软化参数的Rowe流动法则,并结合利用反映中间主应力效应的广义空间准滑动面理论和平面应变轴对称问题柱形孔扩张基本方程,推导并给出摩擦黏性土中大应变柱形孔扩张曲线的数值求解步骤.通过算例分析,将所得解与Mohr-Coulomb破坏准则的解答进行了比较,研究了中主应力效应的特性,并且探讨了损伤软化参数、内摩擦角及黏聚力对极限扩孔压力、塑性区半径、塑性区应力场、平均剪胀等的影响.     

强度折减最短路径在浅埋隧道极限分析的存在性研究

将强度折减最短路径理论,应用于有限元强度折减与极限平衡强度折减分析中,假定黏聚力和内摩擦角按不同折减系数进行强度折减,结合具体算例探讨在双参数强度折减时黏聚力与内摩擦角的合理折减比例,同时考虑隧道埋深与洞跨比值的影响,证明了在浅埋隧道极限分析中强度折减最短路径存在的合理性.研究结果表明:在浅埋隧道强度折减最短路径分析中,随着黏聚力与内摩擦角折减比例λ=Fc/Fφ的增大,黏聚力的折减系数逐渐增大,内摩擦角的折减系数逐渐减小,折减路径长度先减小后增大,两者近似服从抛物线分布,证明存在最短折减路径;同时在强度折减最短路径下,黏聚力的折减幅度要大于内摩擦角,且随着埋深的增加,两者折减幅度逐渐接近.     

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。     

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.     

考虑中间主应力的深埋圆形隧道弹塑性统一解

为了充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,在平面应变假设下将统一强度准则精确匹配为Drucker-Prager强度准则,推导了考虑剪胀特性的理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式,并结合非关联流动法则推导出深埋圆形隧道塑性区的应力与位移统一解.结果表明,经典的Kastner解为所得应力与位移统一解的特殊情况.同时,根据应力与位移统一解公式并结合实际算例,分析了中间主应力和围岩剪胀角对深埋圆形隧道塑性区的影响规律.     

考虑黏聚力与内摩擦角的变坡面 浅埋偏压隧道围岩压力计算方法

为了研究变坡面浅埋偏压隧道中黏聚力与内摩擦角对围岩压力的影响规律,基于极限平衡法求解变坡面浅埋偏压隧道深、浅埋侧推力,进而推导出变坡面下独立考虑黏聚力与内摩擦角的围岩压力计算方法,通过与规范公式以及既有文献对比分析,验证了文章所提方法的合理性,并探讨了深埋侧水平侧压力系数的影响因素.结果 表明:水平侧压力系数随地面坡角的增加逐渐增大,随夹角(岩土体)的增加呈现先减小后增大的趋势,随黏聚力与内摩擦角的增加逐渐减小.此外,黏聚力的分算有利于考虑环境因素(如降雨)引起的岩土体力学参数(黏聚力)急剧变化带来的不利影响;而内摩擦角对隧道深埋侧水平侧压力系数影响较大,表明将内摩擦角进行分算对围岩压力计算具有重要意义.相关研究成果可为类似变坡面浅埋偏压隧道结构设计提供理论依据.     

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.     

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.     

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。     

井壁Ⅰ型裂缝尖端塑性区研究

探讨考虑中间主应力效应的井壁围岩Ⅰ型裂缝的尖端塑性区分布情况及影响因素。基于双剪统一强度理论,对井壁围岩Ⅰ型裂缝的尖端塑性区分布进行研究,建立了Ⅰ型裂缝尖端塑性区边界统一解表达式,并以泥页岩井壁为例,求解出泥页岩Ⅰ型裂缝尖端塑性区边界统一解,进一步推导了考虑围压作用的泥页岩Ⅰ型裂缝尖端塑性区计算公式。同时讨论了不同b值、不同拉压强度比、不同强度准则下泥页岩Ⅰ型裂缝尖端塑性区的变化趋势。结果表明随着中间主应力发挥比例的不断增加,塑性区曲线不断平滑,塑性区裂缝尖端延长线上的裂缝扩展速率也相应降低。考虑中间主应力的积极作用可以使含张拉裂缝的井壁围岩充分发挥岩石自身强度,减小塑性区范围,同时降低裂缝在尖端延长线上的延展。     

灰土挤密复合地基桩体极限承载力统一解

针对目前灰土挤密复合地基桩体极限承载力理论计算值与实测标准值存在较大差异的问题,将单桩加固区的土体视为一定深度的长厚壁圆筒,基于统一强度理论和桩土变形协调条件,推导了桩孔极限内压下的灰土桩极限承载力统一解.讨论中间主应力、桩长和内摩擦角对灰土桩极限承载力的影响特性,并将理论公式计算值与实测标准值进行了对比,吻合较好.研究结果表明:中间主应力对土体所能提供的侧向极限约束力有较大影响;考虑中间主应力影响对岩土材料的强度发挥有着积极作用;增加桩长和灰土的内摩擦角,灰土桩极限承载力相应提高.     

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.     

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%。     

基于含水量和干密度影响的压实土抗剪强度试验

为准确评价填土强度,对某高填方机场不同深度、不同方位原状土,不同土石比、不同压实度、不同含水量的重塑土进行直剪试验,建立考虑含水量和干密度共同影响的填土强度公式.结果表明:随着含水量的增加,土体抗剪强度降低,黏聚力和内摩擦角均下降,且含水量对黏聚力的影响比内摩擦角大;土体抗剪强度受含水量和干密度共同影响.原状土剪切方位不变时,随着深度的增加黏聚力先增大,之后基本保持不变或略微减小.含水量不变时,黏聚力随着剪切方位角度的增大而增大,内摩擦角相对黏聚力变化不大.重塑土在不同含水量状态下,干密度不同时抗剪强度指标变化差异较大,土石比为4∶6的土样抗剪强度略低于2∶8的土样.     

垂直荷重对不同材料改良膨胀土抗剪强度影响研究

通过不同垂直荷重下的直剪试验,探究石灰、水泥、粉煤灰改良膨胀土的内摩擦角、黏聚力以及抗剪强度随垂直荷重级数的改变而变化的规律,验证不同材料改良时的抗剪强度曲线与莫尔-库伦强度理论的相符程度。研究表明,在改良材料及掺量一定时,随着垂直荷重的增加,改良膨胀土内摩擦角逐渐减小,黏聚力逐渐增大。粉煤灰改良时内摩擦角减小幅度最大,黏聚力增长幅度最小;水泥改良时内摩擦角减小幅度最小而黏聚力增长幅度最大;石灰改良时内摩擦角及黏聚力的变化幅度居中。当垂直荷重级数相同时,掺3种材料对膨胀土抗剪强度提高幅度依次为:水泥、石灰、粉煤灰。当垂直荷重级数相同时,掺石灰对膨胀土内摩擦角的提高幅度最大,而对黏聚力的提高来说,掺水泥效果最好;掺石灰改良时,试验所取的垂直荷重对抗剪强度指标的影响程度较大,而粉煤灰改良时,抗剪强度与垂直荷重的关系接近库伦定律,垂直荷重的取值对抗剪强度指标的影响较小。     

基于复变函数理论和D-P屈服准则的并行隧道合理间距

综合利用复变函数理论、解析延拓法和Schwarz交替法揭示相邻水平并行隧道的应力分布特征. 在此基础上,结合考虑了中间主应力效应的D-P屈服准则建立相邻水平并行隧道力学模型. 提出并行隧道塑性区贯穿半径的概念,建立求解方程,并通过数值模拟证明其正确性. 采用隧道间塑性区临界贯穿状态下的间距作为隧道合理间距,与数值模拟软件FLAC3D计算得到的围岩位移量和沉降量随间距变化至基本不发生变化时所对应的隧道间距有较高的吻合性,从而表明其作为相邻水平并行隧道合理间距的可行性.     

真三轴应力下低渗储层砂岩应力应变特征分析

为搞清楚低渗砂岩在复杂应力状态下的变形和破坏特征，以华庆地区三叠系延长组低渗砂岩为原型，根据相似原理做成相似模型，通过对相似模型应力-应变的分析来判断原型所发生的力学现象。利用新研制的YSZS-2000多功能电液伺服岩石真三轴试验机对相似材料进行了4个系列真三轴实验。研究表明：在真三轴应力作用下，峰值强度受中间主应力的影响显著，随着中间主应力的增大而增大；试样杨氏模量随中间主应力的增大有增加的趋势；在相同最小主应力条件下，随着中间主应力的增大，峰值应变逐渐减小。当最小主应力增大时，峰值应变降低的幅度减弱；黏聚力随着中间主应力的增大而增大，内摩擦角则随之减小。     

孕育型土洞地陷判据研究

为评价地下孔洞发育过程中地表稳定性,将孔洞发育过程中地表变化过程离散化,依据突变理论建立地表塌陷分析判据;结合覆盖层土体失稳一致性、失稳同时性、塑形贯通判据及塑性区云图分析初步验证判据的有效性.利用上述方法量化地表失稳的判定过程,以此得到临界孔洞半径、地表塌陷范围,并讨论了覆盖层临界厚度与内摩擦角、黏聚力、弹性模量及泊松比之间的关系.研究结果表明,覆盖层厚度与内摩擦角及黏聚力均能拟合成相关性较好的线性关系,覆盖层厚度对泊松比和弹性模量并不敏感.基于突变理论的地表失稳判据可为发育孔洞上方地表稳定性探讨提供有益参考.