孔隙水作用下浅埋圆形隧道支护反力上限计算

浅埋隧道的支护反力的确定是控制隧道围岩稳定性的关键,针对浅埋圆形隧道,基于极限分析上限定理和一定的假设,考虑了孔隙水压力作用,计算了内能耗散和外力功率,得到了孔隙水压力作用下浅埋圆形隧道的支护反力的上限解,将浅埋圆形隧道的支护反力求解转化成一个数学优化问题,并利用MATLAB编制相应计算程序。计算结果表明：埋深H、内摩擦角φ、洞径h、孔隙水压力系数λ都对浅埋圆形隧道的支护力有很大的影响。     

浅埋软弱围岩隧道掌子面失稳破坏模式研究

将浅埋隧道掌子面稳定性问题简化为二维平面问题,构造了更符合实际工况的隧道掌子面破坏模式。在此基础上,采用极限分析上限法得到浅埋隧道掌子面支护反力的目标函数,并建立了优化变量约束条件。利用Matlab编制计算程序进行优化求解,通过算例得到了不同边界条件下维持浅埋隧道掌子面稳定所需支护反力系数,解释了浅埋隧道掌子面失稳机理,并分析了影响掌子面失稳的主要因素。     

高丽营隧道围岩压力有限元-上限法计算方法研究

为研究浅埋隧道围岩压力的计算方法,依托高丽营隧道工程,采用有限元软件建模分析,并基于剪切应变判定准则得到浅埋隧道的失稳破坏形态。然后构建塑性极限分析上限法破坏模式和速度场,建立浅埋隧道围岩压力计算方法,对岩土体非线性破坏准则对浅埋隧道围岩压力的影响规律进行探讨。研究结果表明： 1）无论是基于线性还是非线性破坏准则,侧压力系数的取值对计算结果均有很大影响,侧压力系数的增大,会引起竖向围岩压力的减小和水平围岩压力的增加; 2）围岩压力随非线性系数的增加而逐渐减小。     

非关联流动法则对双线平行隧道上限解的影响分析

基于极限分析上限定理,对双线平行隧道的稳定性进行了研究。考虑非关联流动法则的影响,修正了围岩的抗剪强度,求得了隧道支护力的上限解表达式。利用Matlab数值软件,计算了支护反力最小值,并探讨了剪胀系数、埋深、洞径、间距等参数的影响,结果表明：剪胀系数η对隧道的稳定性有较大的影响,随着η的增大,支护反力非线性减小。     

不同埋深比下浅埋隧道稳定性的上限分析

在线性破坏准则下,采用极限分析上限法对浅埋隧道的围岩压力和稳定系数进行理论推导,并且采用序列二次迭代算法进行优化求解.研究表明:对于浅埋隧道,埋深较大的地段其支护反力会较大,在施工过程中应注意和加强支护,但由于围岩的自稳能力也较强,故隧道的稳定性会较好.     

非关联流动准则对浅埋隧道稳定性影响的上限分析

基于非关联流动准则和极限分析上限理论,通过构建浅埋隧道的简单破坏模式,推导了非关联流动准则下浅埋隧道围岩压力的计算公式.基于内外能耗守恒原理,结合强度折减技术对一定围岩压力下浅埋隧道稳定性进行了分析,并应用非线性优化方法,得出了浅埋隧道围岩压力和一定围岩压力下浅埋隧道稳定性上限解析的优化解答.研究结果表明:岩土材料的剪胀特性和围岩侧压力系数均对浅埋隧道和稳定性有较大影响,且岩土侧压力相关系数对浅埋隧道稳定性的影响程度更为显著.     

复杂条件下浅埋矩形隧道围岩压力的极限分析

针对浅埋矩形隧道,在孔隙水、地表荷载作用等复杂条件下,采用极限分析法推导了围岩压力的上限解表达式,并利用序列二次优化算法得到了围岩压力的上限解;通过对比分析,该计算方法可行,但围岩压力计算结果用于结构设计时应适当增大边墙下部侧向压力值。分析了各参数对浅埋矩形隧道围岩压力的影响,结果表明侧压力系数、粘聚力、内摩擦角、埋深、地表荷载及孔隙水压力系数对拱顶、边墙的围岩压力都有很大的影响,特别是在侧压力系数与孔隙水压力系数的影响下围岩压力的变化幅度非常大,预防支护力不足会引发垮塌事故,建议施工过程中针对不利地段做好支护措施与防排水处理。     

挤压流动性隧道底臌机理及控制技术

为了从根本上防治隧道底臌和仰拱破裂,针对挤压流动条件下隧道底板变形破坏规律研究的不足,通过建立隧道侧墙岩体在支承压力作用下的力学模型,分析了侧墙岩体和顶、底板界面应力以及岩体轴力的基本分布规律,推导了侧墙岩体水平收敛位移及其极限平衡区宽度的理论计算公式。在此基础上,进一步分析了隧道底板岩体在侧墙岩体的挤压下产生塑性流动时的最大剪切破坏深度及其与相应侧墙的距离。最后以云岭隧道底臌为工程实例,对隧道侧墙和底板的初期支护参数进行了优化设计。分析结果表明：底板最大破坏深度及其与隧道侧墙的距离取决于侧墙岩体的极限平衡区宽度和底板岩体的内摩擦角;对于挤压流动性底臌,在加强地下水封堵和提高仰拱抗变形能力的同时,更应注重对隧道侧墙和底板岩体的锚注联合初期支护,为后续挤压流动性隧道底臌灾害的有效防治提供参考。     

浅埋砂卵石土层隧道掌子面主动稳定性上限分析

依托成都地铁17号线明光站—九江北站盾构法施工区间,通过极限分析上限法及PLAXIS有限元分析方法探究影响浅埋盾构隧道掌子面的影响因素,分析内摩擦角、隧道埋深、隧道断面直径及土体容重对掌子面主动稳定性的影响。研究表明:掌子面支护力随隧道埋深C、隧道断面直径D及土体容重γ的增大而增大,而随内摩擦角φ的增大而非线性减小,且内摩擦角对支护力的影响最为显著。     

浅埋小净距公路隧道围岩压力分布规律

为了给小净距隧道设计和施工提供科学依据,并为完善中夹岩墙的加固方法奠定理论基础,首先通过对41座小净距隧道的双洞内侧围岩压力进行统计分析,研究了小净距隧道围岩压力的演化特点,分析了垂直围岩压力与单洞开挖宽度、埋深和净距的关系,讨论了双洞内侧侧压力系数与各工程地质参数之间的关系,并基于隧道实际滑裂面,建立了小净距隧道荷载计算模型,提出了小净距隧道围岩压力的计算方法,通过与实测数据及既有研究成果的对比,验证了该方法的合理性及普适性,并基于以上研究成果提出了小净距隧道围岩稳定性控制方法。研究结果表明：小净距隧道垂直围岩压力与水平压力发展趋势基本一致,水平压力发展速率明显大于垂直压力,稳定时间也较短;水平压力受双洞间的相互影响比垂直压力要大,在施工过程中应重点关注水平方向的应力发展;侧压力系数随净距增加而增大,但随埋深、内摩擦角和黏聚力的增加而减小,并普遍小于规范值;所提出的围岩压力计算式对于复杂小净距隧道具有较好的适应性,并能对施工过程中小净距隧道的围岩压力进行估算;小净距隧道围岩稳定性控制应从合适的施工方法、合理的支护设计以及实时的监控量测3个层面考虑,具体的控制对策应结合围岩条件和工程特点进行实施。     

土质地层圆形隧道均布支护反力上限有限元分析

应用适宜于岩土稳定性分析的六节点三角形单元极限分析上限有限元程序,详细分析了土质地层圆形隧道均布极限支护反力和失稳破坏问题,获得了不同埋深C、土体重度γ、内摩擦角φ、黏聚力c等综合因素影响下极限支护反力系数上限解图表及以塑性乘子表达的地层失稳破坏形态。研究结果表明:支护反力系数Nγ、Nc上限解与太沙基土压力理论解参数影响规律基本一致,且内摩擦角φ和隧道埋深C与直径D之比(C/D)对于隧道极限支护反力系数Nγ、Nc及地层破坏模式影响较明显。当φ较小时,隧道地层失稳破坏模式与太沙基土压力理论假定的破坏形态吻合较好;当φ较大时,上限有限元法获得破坏模式局限于隧道周边一定范围且呈现出明显"拱效应"现象。     

黏质粉土中在单向地震动输入下的低承台桩基动力响应特征分析

针对均质黏质粉土场地中上部荷载一定而设计了五桩一承台的布桩方式,采用强震记录的El-Centro-NS波前30 s地震动加速度时程作为地震动输入时程,进行了单向地震动输入的数值模拟,揭示了动力响应的特征及机理。数值模拟研究表明:墩顶、墩底、桩顶的加速度峰值分别是输入加速度峰值的2倍、0.8倍和0.76倍,表明上部结构的运动效应受结构惯性力影响更大;地表结构物的结构尺寸、荷载对地震响应具有显著的影响;承台与承台侧土体对加速度具有一定的削减作用。承台底面土体沉降先随着地震动小幅度波动,之后随着地震动幅值的增大,沉降迅速放大。五桩一承台布桩方式下,五根桩加速度峰值自桩端向上先增大,至埋深25 m附近开始减小,至埋深13 m附近峰值加速度减小到最小,再向上加速度峰值又迅速放大。     

基于变分法原理的浅埋隧道围岩压力上限研究

浅埋段隧道上覆岩土厚度随埋深发生变化,且受地形条件影响,有必要考虑埋深对隧道支护结构设计的影响。为得到变化埋深条件下洞口浅埋段的围岩压力分布和影响长度,基于Hoek-Brown 破坏准则,采用极限分析上限理论,得到浅埋段隧道上方塌落体的构成曲线,并基于变分法原理获得浅埋段隧道极限支护力(反力为围岩压力)沿隧道轴向的变化规律曲线。通过分析,得到以下结论: 1)围岩压力随上覆土厚度增加而呈曲线增加; 2)依据围岩压力随距离(埋深)的变化关系可以得到浅埋段的有效影响范围,超过影响范围的围岩压力几乎不随埋深变化,可以视为深埋段; 3)围岩压力和浅埋段临界范围不仅与岩土材料参数有关,也受到隧道断面宽度和地表坡度的影响。     

软弱围岩浅埋小净距隧道合理净距影响因素探讨

考虑不同跨度、埋深、高度和初始地应力等条件对软弱围岩浅埋小净距隧道进行数值模拟,以中间岩柱塑性区是否贯通为判别标准,对小净距隧道合理净距影响因素进行分析。结果表明:小净距隧道合理净距随着隧道埋深加大而逐步增大,随围岩侧压力系数减小而增大,相同埋深、相同跨度的小净距隧道,其合理净距随隧道高度增大而增大,而偏压对合理净距的影响不明显,此外不同条件下的围岩初始应力场和重分布应力场的差异导致围岩破裂角改变,设计计算围岩压力也会随之改变,进行小净距隧道设计优化或变更时应当考虑这些因素的影响。     

基于大质量法的太湖隧道三维地震动响应分析

以太湖隧道为工程背景,运用大质量法建立类矩形隧道结构的三维地震动分析模型,研究在水平地震作用下隧道结构的内力变化规律及位移响应规律。研究表明:1)类矩形断面结构在水平向地震作用下的结构内力在侧墙底部最大,且弯矩是主要控制内力;2)过渡段1和过渡段2是隧道结构在地震作用下受力的薄弱点,且过渡段1产生的内力最大;3)从浅埋段至深埋段,隧道结构顶底板层间位移角逐渐增大,最大层间位移角均小于规范限值。研究成果可为太湖隧道的抗震设计提供参考。     

浅埋大跨偏压隧道的破坏模式分析

为研究浅埋大跨偏压隧道破坏模式,利用有限元强度折减法对三心圆曲墙式断面隧道和马蹄形断面隧道在不同埋深、坡比工况下的塑性应变和安全系数进行研究,得到隧道的破坏模式及发展规律:无偏压条件下,随着埋深增加,三心圆曲墙式断面隧道最大塑性应变由拱肩向下转移到边墙附近,而对于马蹄形断面隧道,当埋深较浅时,在拱肩和边墙出现破裂面,随着埋深的增加拱肩的破裂面逐渐向边墙脚转移;当存在偏压时,三心圆曲墙式断面隧道浅埋侧先破坏,随着埋深的增加,最大塑性应变由浅埋侧拱肩移到浅埋侧边墙位置,对于马蹄形隧道,破裂面从浅埋侧拱肩和深埋侧边墙转移到墙角;在同一埋深条件下,三心曲墙式断面隧道安全系数高于马蹄形隧道安全系数。     

山岭隧道洞门段衬砌结构动力响应及震害机理研究

以汶川地震中遭遇严重破坏的烧火坪隧道为背景,建立三维有限元数值模型研究洞门浅埋隧道结构在地震作用下的动力响应特性。同时,为真实反映岩土体及混凝土衬砌结构在强震作用下的屈服变形及损伤破坏过程,在数值计算中引入Drucker-Prager屈服准则及混凝土损伤本构模型。根据数值计算结果对衬砌应力响应及结构损伤破坏分布特征等进行分析,并与现场震害模式进行对比讨论。研究结果表明:隧道洞门浅埋区域主要以拱腰及拱肩区域的受拉破坏为主,结构稳定性及破坏主要受第一个地震动峰值段控制;破坏程度随着隧道纵深的增大而逐渐降低,并在距离洞口约40 m处趋于稳定;隧道拱腰两侧围岩屈服破坏导致刚度降低是造成衬砌拱腰应力增大及破坏的主要原因。     

浅埋偏压隧道施工工法研究与非对称设计优化

为探究偏压隧道的适宜工法并针对偏压特性对支护结构进行非对称优化,基于九绵高速福隆隧道,通过现场监测深浅埋侧非对称周边收敛与地表变形,建立三维山体隧道模型,进行不同工法围岩、支护结构受力变形比选分析以及初期支护厚度、锚杆长度与倾角的非对称优化设计。相关研究表明:1)现场监测发现,地表沉降与周边收敛非对称特性明显,随着离隧道正中距离的增大,深埋侧地表沉降较浅埋侧数值减小较慢。深埋侧上拱腰收敛数值最大且波动较大,浅埋侧下拱腰收敛增速较慢。2)偏压隧道较适宜工法为CD法,能有效控制围岩支护结构变形、锚杆应力、初期支护压应力以及塑性区分布。3)初期支护非对称优化结果为将浅埋侧初期支护厚度减小2cm,深埋侧增大2cm,能将二次衬砌拉应力控制在较小数值。4)锚杆长度非对称优化结果为将浅埋侧锚杆长度减小0.5m,深埋侧增大0.5m,使锚杆受力更为均匀并减小右上拱肩与左下拱脚的塑性区。初期支护应力在右上拱肩与左下拱脚处存在显著偏压,通过将右上拱肩处锚杆朝深埋侧倾斜能一定程度减小初期支护受力不均匀。     

浅埋偏压连拱公路隧道施工数值模拟分析

对于浅埋偏压连拱公路隧道,在洞口软弱围岩段。采用三导洞配合台阶法施工是可行的。其施工顺序应采用先埋深较浅一侧隧道再埋深较深一侧隧道。在施工中。中墙不会因为地表的偏压和不对称施工而产生过大的倾斜,从而影响中墙的稳定性。在施工中及时施作初期支护有利于控制围岩的变形．从而满足围岩的稳定和施工的安全。当地形较低一侧埋深太小时。应采用人工回填土的方式来增大覆盖层厚度,以便满足隧道进洞的最小埋深．同时应采用管棚加固措施。     

地表水平及倾斜下隧道变形受力特性对比分析

地表倾斜是傍山隧道经常遇到的情况,给施工带来极大的困难。因此,基于有限元原理建立了地表水平和地表倾斜的两种模型,通过对比分析地表水平和地表倾斜情况下的围岩变形受力、围岩塑性区分布、支护结构受力情况,研究地表倾斜下隧道的变形受力特性。结果表明：地表倾斜下的围岩和支护结构受力均不关于隧道中心线对称,且围岩水平位移表现为顺坡方向,围岩应力在深埋侧左墙脚和浅埋侧右拱腰部位产生应力集中,深埋侧左墙脚和浅埋侧右拱腰弯矩增大明显,塑性区分布呈“不对称蝴蝶”形分布。