基于D-P屈服准则考虑渗流影响的深埋有压圆形隧洞弹塑性解

山岭深埋隧洞具有丰富的地下水,有压隧洞在施工和运营的不同工况条件下,隧洞围岩第一主应力会发生变化。为了研究有压隧洞施工和运营阶段的地下水的渗流影响,文章基于D-P屈服准则,在平面应变条件下推导了深埋有压圆形隧洞第一主应力分别为径向应力和切向应力时考虑渗流影响的弹塑性解。结果表明:D-P准则模型计算结果与M-C准则计算结果基本吻合,且计算结果较M-C准则偏于安全,验证了该模型的正确性;考虑渗流作用时弹性区径向应力和切向应力随着径向距离的增加不再关于地应力对称,且随着渗透压力的增大,其偏离地应力程度越大;同种条件下,低内水压阶段随着渗透压力的增大塑性区半径增大,高内水压阶段随着渗透压力的增大塑性区半径减小。     

基于Zienkiewicz-Pande准则的隧道/巷道围岩弹塑性分析

Zienkiewicz-Pande准则是Mohr-Coulomb准则的改进。文章基于Zienkiewicz-Pande屈服准则,考虑中间主应力作用的影响,通过结合平衡方程推导出了隧道/巷道围岩弹塑性应力、塑性区半径及位移的解析解。在此基础之上给出了具体算例,分析了中间主应力对Zienkiewicz-Pande准则解的影响,最终分别基于Zienkiewicz-Pande准则和Mohr-Coulomb准则对塑性区半径和围岩应力分布进行对比分析。研究结果表明,Zienkiewicz-Pande准则适用于隧道/巷道围岩的弹塑性分析,合理地选用Zienkiewicz-Pande准则对于工程实践具有较大的参考价值。     

深埋引水隧洞软弱围岩支护结构受力特征研究

文章依托工程实例,针对深埋软弱围岩引水隧洞支护体系的受力特征,开展了现场试验研究,并基于强度折减理论和数值模拟分析,提出了一种计算软岩隧洞施工期间二次衬砌承载力及其强度安全系数的方法,对围岩和二次衬砌的稳定性进行了评估分析。研究表明:边墙部位锚杆发挥拉拔支护效应明显,根据锚杆中性点位置推测出的软弱围岩塑性区有不断发展和扩张的趋势;初期支护钢拱架架设后能立即发挥支护作用,给予围岩较大的支护力;采用该方法求出的二次衬砌在施工期间将参与承担12%的围岩释放荷载,墙脚应力集中部位的安全系数最小,二次衬砌承载特征的计算结论与二次衬砌接触压力的现场试验结论基本吻合。成果可为深埋软弱围岩条件下的隧洞修建提供一定参考。     

附加荷载引起大跨扁平隧道变形破坏的模型试验研究

文章以深圳大跨扁平马峦山隧道为工程背景,采用模型试验法研究了Ⅳ级、Ⅴ级围岩条件下隧道结构在附加荷载作用下的破坏过程,分析了围岩压力、衬砌变形和结构内力的变化规律。研究结果表明:(1)拱顶围岩压力先增大后减小,当附加荷载达到至某一值时,拱顶围岩压力最大,且衬砌变形较小;(2)随着附加荷载的增加,衬砌变形均经历弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段三个阶段,且Ⅴ级围岩衬砌变形较大;(3)随着附加荷载的增加,衬砌结构内力增大,衬砌弯矩分布形状近似呈"蝴蝶型",轴力分布形状近似呈"菱形",且分布不均匀性增大。     

深埋隧洞让压支护结构的锚固机理探究

为研究层状岩性下深埋隧洞让压支护结构对围岩分区破裂的影响及其锚固机理,文章开展了高应力条件下深埋隧洞三维相似物理模型试验。选取3∶3和4∶3两种配比的相似材料分层铺设夯实,对4种支护结构形式(刚性衬砌支护、刚性衬砌+让压锚杆支护、柔性衬砌支护和柔性衬砌+让压锚杆支护)进行对比研究。应力试验结果表明,采用刚性衬砌与柔性衬砌支护时,隧洞拱顶、拱肩和侧墙应力均出现波峰与波谷的波浪变化,围岩依然存在分区破裂趋势。而刚性衬砌+让压锚杆组合支护下应力波浪变化趋势减弱,表明支护结构抑制了围岩分区破裂趋势。让压锚杆应变监测结果表明,刚性衬砌和柔性衬砌拱顶位置,让压锚杆均出现了拉压应变交替变化规律,而柔性衬砌支护时隧洞拱肩与侧墙位置让压锚杆只出现拉应变现象。刚性衬砌+让压锚杆的新型让压组合支护结构对抑制深埋隧洞围岩分区破裂有重要意义。     

近溶腔高压水工隧洞围岩应力位移弹性解

考虑开挖及渗流影响的水工隧洞围岩稳定是一个重要课题,而近溶腔高压水工隧洞围岩应力位移研究是该课题的难点。据此,文章基于弹性假设理论,引入反溶腔作用系数,采用复势理论求解近溶腔水工隧洞开挖问题,获得围岩应力及位移解析表达式。将水工隧洞内水外渗的各影响因素简化为轴对称情况,并将渗流场以渗透体积力方式作用于应力场,采用平面应变理论求得正常运行期的过水公式,最后通过叠加原理求得弹性解。在满足挪威准则条件下,对比内水外渗前后的计算结果,依次探讨反溶腔作用系数、岩石孔隙水压力及埋深等的影响规律。分析结果表明:初次充水对围岩稳定起决定作用;反溶腔作用系数及埋深增大有助于围岩稳定;在岩石孔隙水压力影响下,溶腔一侧环向应力场出现大小值交换现象,而径向应力场并不出现该现象;近溶腔水工隧洞围岩偏压效应随着反溶腔作用系数的增大而弱化。     

深埋高地应力水工隧洞节理岩体开挖塑性区特征及分布规律研究

深埋高地应力水工隧洞处于复杂的地质力学环境中,开挖过程中围岩塑性区的分布及演化规律是隧洞稳定控制的关键。为了揭示高地应力水工隧洞开挖塑性区特征及分布规律,文章采用理论分析与数值模拟相结合的方法,推导了塑性区范围的计算公式,并引入新的无量纲参数作为非圆形隧洞围岩塑性区的评价指标,分析了节理岩体在高地应力条件下,侧压力系数以及开挖扰动对围岩塑性区的影响。研究结果表明,开挖扰动对于岩体开挖塑性区发展的轴向影响范围大约为1.0～1.5倍洞径,对于存在节理面的岩体,该影响范围可达到2倍洞径。侧压力系数直接影响围岩的塑性区形状,围岩塑性区有顺着节理面进行不规则扩展的趋势;水平应力与垂直应力差异性越大,节理面对围岩塑性区范围的影响越大,同时节理面有阻止塑性区沿垂直节理面方向扩展的作用。     

软岩大变形条件下围岩变形与围岩压力的关系研究

为获得软岩大变形条件下围岩变形与围岩压力之间的关系,为大变形让压设计提供依据,文章利用FLAC3D数值模拟软件,计算了某单线铁路隧道开挖后在无支护条件下洞周发生不同变形量后施作弹性支护结构的最大压应力,并以此间接反映围岩压力,得到围岩压力随围岩变形的释放关系曲线。将类似工程实例的监测数据与该关系曲线进行对比分析,结果表明:围岩压力随围岩变形的释放关系曲线分为陡降区、调整区和缓降区三部分;软岩大变形可分为收敛型和非收敛型两类,收敛型大变形隧道将可量测的洞周变形控制在15 cm(洞周半径的3%)以内是经济合理的,且施作常规系统锚杆效果最好;非收敛型大变形隧道可量测的洞周变形量超过63 cm(洞周半径的14%)时,围岩压力释放效果才进一步提高;通过大幅的洞周变形来减小围岩压力时,将导致塑性区的大幅增加,此时的系统锚杆作用微乎其微。     

考虑围岩冻融损伤劣化效应的隧道长期稳定性研究

寒区隧道围岩受到冻融损伤劣化作用会对隧道长期稳定性造成不利影响。文章以鄂西北十房高速公路通省隧道片岩为例,通过室内冻融循环及压缩试验,得到单轴抗压强度与冻融循环次数之间的关系。根据掌子面围岩现场工程地质调查结果,并基于Hoek-Brown准则,估算出考虑冻融损伤劣化效应的岩体力学参数。然后采用FLAC3D对冻融循环条件下隧道的长期稳定性进行数值分析,分别得到0次、4次、8次、12次、16次、20次冻融循环条件下隧道衬砌位移场及应力场变化特征。结果表明,冻融循环作用下,隧道衬砌的变形及主应力均出现了不同程度的增大。与不考虑冻融损伤劣化作用相比,经过20次冻融循环作用后,衬砌的变形、最大主应力、最小主应力分别增大了1.3%、5.3%、1.5%。在支护方案选择及支护结构设计时,有必要考虑长期冻融循环作用下围岩力学特性损伤劣化对隧道稳定性的影响。     

饱和Q2黄土地层引水隧洞衬砌外水压力折减系数研究

外水压力折减系数取值对水工隧洞衬砌结构的设计影响较大。以某引水隧洞穿越Q₂黄土地层工程为背景，通过室内试验和原位抽水试验，研究了原状及重塑Q₂黄土的饱和渗透特性；并通过模型试验和FLAC 3D程序的流-固耦合分析原理，对比研究了不同地层条件、限量排放率、隧道尺寸、地下水位高度、地层注浆圈厚度等5种因素下，衬砌上的外水压力折减系数变化规律。结果表明：隧洞限量排放率和注浆加固圈厚度的增大会明显降低衬砌外水压力折减系数；地层渗透系数的增大，会引起外水压力折减系数呈对数函数增大趋势；随着隧洞等效半径的增大，外水压力折减系数先减小后增大，而地下水位高度对外水压力折减系数影响可忽略不计。对本工程而言，外水压力折减系数建议取值为0.57～0.71。     

深埋软岩隧洞围岩变形控制方法

变形控制是软岩隧洞稳定性调控的主要手段,规范和现有文献均给出了变形和变形速率控制指标或方法,但绝大部分成果是依据浅埋隧洞经验总结而得,不能很好地适用深埋隧洞围岩变形压力大的情况,且仅侧重变形收敛判断,无法据此起到施工过程及时调控或者将其作为调控依据的作用。文章针对此问题,在对深埋绿泥石片岩隧洞挤压变形洞段围岩变形特征分析的基础上,建立了多变形指标围岩稳定控制方法,并以变形量和变形速率为主要指标,辅以变形和变形速率模式分析,可考虑施工过程中围岩变形的时空效应,对围岩稳定性进行及时调控,避免了深埋软岩隧洞围岩挤压变形问题的出现。研究成果可为深埋软岩隧洞施工开挖过程中围岩稳定调控提供有效技术手段。     

卸载状态下冻结壁外载的统一解

文章基于统一强度理论,考虑中间主应力的影响,采用卸载状态下冻结壁-周围土体共同作用的冻结壁力学模型,推导得到冻结壁弹性区和塑性区的应力场、位移场,并分别建立了冻结壁弹性极限外载、塑性极限外载、弹塑性外载的统一解,分析了冻结壁的应力场、位移场随半径、强度理论参数的变化规律,讨论了半径比、强度理论参数及冻结壁计算深度对各个统一解的影响。结果表明,半径和强度理论参数对冻结壁的应力场、位移场均有一定程度的影响,考虑中间主应力的影响可得到更精确的计算结果;冻结壁的弹性极限外载、塑性极限外载均随半径比和强度理论参数的增大而增大;弹塑性状态下冻结壁的外载随冻结深度的增大而减小,随强度理论参数的增大而增大;冻结壁的外载比原始水平应力低,是由卸载状态下冻结壁与周围土体共同作用决定的。该结果可为冻结壁的设计及工程应用提供一定的参考。     

活断层错动位移下衬砌断面型式对隧道结构的影响

以棋盘石隧道为工程背景,采用有限元方法,设置五种不同仰拱半径的三心圆断面,对比研究了活动断层错动下不同衬砌断面型式对链式结构隧道受力及塑性变形的影响。结果表明:断层错动引起隧道二次衬砌受到拉张、剪切、挤压组合作用;断层错动引起的高应力带主要在断层带内的节段拱脚位置,且峰值位于上盘,剪切缝能有效地吸收断层错动产生的拉应力;在隧道断面不断趋向正圆的过程中,二次衬砌最大主应力、最小主应力、剪应力均呈减小趋势,等效塑性应变呈增大趋势。     

深埋隧洞围岩应力分布与破坏机理

深埋隧洞围岩高应力破坏机理是研究深埋岩体力学特性和深埋地下工程实践中被关注的一个重要认识问题,深埋条件下围岩应力和围岩强度之间的矛盾更加复杂和典型,也成为认识问题的基本出发点。文章介绍了深埋隧洞开挖时不同部位围岩应力的变化路径;通过对比锦屏辅助洞出现的围岩破坏现象,分别论述了导致边墙松弛型破坏、应力集中部位的片帮破坏和岩爆破坏的围岩应力变化特征,在一定程度上解释了这些破坏的内在机理;并通过采用数值方法再现脆性围岩V型破坏形式,分析探讨了脆性围岩高应力破坏的局部化问题;指出了深埋岩石力学研究中的几个重要环节,如岩体力学特征的尺寸效应和应力路径效应等对准确认识深埋隧洞高应力破坏内在机理的重要意义。     

深埋硬岩隧洞围岩变形量分形结构研究

针对深埋硬岩隧道围岩变形及地质灾害等问题,文章基于分形理论的计算方法,对锦屏二级水电站深埋引水隧洞施工过程中的围岩变形量进行了分形特征研究。结果表明:深部岩体隧洞开挖施工过程中,围岩的形变在时间上是具有分形特征的,而且呈现出较好的自相似结构特征;在同一埋深的条件下,分形维数最大值在隧洞拱顶部,其次在拱肩,边墙分形维数最小;埋深在500～1 800 m外,围岩灾害发生的频率同样随隧洞深度增加而明显呈现出增长的趋势;但当隧洞埋深在1 800 m范围之外时,变形量分形维数及围岩灾害发生的频率趋于稳定,受到埋深的影响很小。     

引水隧洞破碎带超前固结灌浆效果分析

引水隧洞穿越富水区并含有断层软弱破碎岩层时,常常会发生坍塌及大变形。文章针对干河泵站地下引水隧洞的复杂地质环境,提出了三维渗流应力损伤耦合的计算方法和显含断层薄层单元的模拟方法,计算模拟了引水隧洞复杂地质条件下超前固结灌浆后的开挖支护过程,定量评价了不同工况下引水隧洞围岩整体相对稳定状态,分析对比了有无超前固结灌浆下围岩破坏区分布及洞周变形变化规律。结果表明:超前固结灌浆后的围岩破坏和洞周位移变化情况明显减小;洞周围岩总破坏体积减少了1 252.9 m3,降低了43.98%;而断层处洞周位移最大值减小了54.92%。超前固结灌浆对断层破碎岩体的整体稳定有显著地改善。     

岩土介质中圆形隧洞围岩压力理论分析进展

无限岩土介质中静水压力作用下圆形隧洞围岩的应力位移分析是地下工程的一个经典问题.文章以材料模型为主线,结合不同的屈服准则和塑性流动法则,对近年来求解该问题解析解或闭合解的文献和取得的成果进行了系统的归纳总结和评述;重点介绍了常见的弹性-理想塑性模型、弹-脆-塑性模型和弹性-应变软化模型及其结合Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则得到的主要分析结果;同时介绍了弹-塑-脆-塑性模型、黏弹性模型等材料模型的最新研究进展.     

偏压作用下小间距隧道的施工方法研究

针对长哨小间距隧道建造中存在山体偏压情况.选择有一定代表性的V级围岩区段小间距隧道LK108 800断面,利用有限元数值模拟方法,对6种施工方案下的偏压隧道支护结构受力及围岩屈服破坏进行了细致地仿真模拟分析.结果表明,山体偏压作用下,先施工深埋一侧的隧道,可有效减少中隔墙围岩的偏向及侧移,明显降低围岩塑性区面积,并有益于支护结构的稳定性.     

地震动参数对地下洞室安全系数的影响分析

为解决地震作用下地下洞室围岩安全的定量评价问题,文章建立了一种基于整体安全系数和点安全系数的围岩稳定综合评判方法。首先给出了基于岩体抗剪强度折减原理的洞室整体安全系数计算方法,该方法以主厂房和主变洞之间的塑性区恰好贯通作为洞室整体失稳的临界判据,整体安全系数通过搜索折减系数而得到;然后给出了基于Mohr-Coulomb屈服准则的点安全系数计算方法。结合西南某水电站地下厂房洞室工程,研究了不同地震动输入参数对洞室整体安全系数和关键部位的点安全系数的影响规律。计算结果表明,基于安全系数的地下洞室围岩稳定定量评价方法是可行的,能够反映不同工况下洞室整体安全程度和不同部位的局部安全程度。研究发现,洞室整体安全系数和关键点安全系数均随地震波振幅、持时的增加而减小;随入射角的增加而增大;地震波低频对洞室影响较大,高频则影响较小。     

跨走滑断层铰接式隧洞衬砌错断破坏机制研究

以香炉山输水隧洞为研究对象，利用小尺度物理模型试验和数值模拟手段，开展走滑断层错动作用下铰接式隧洞衬砌错断响应特征、破坏形态和错断破坏机制研究。对比分析有无采用铰接设计的隧洞在走滑断层错动条件下的衬砌破坏特征、整体变形和细部破坏形态，系统研究衬砌结构的纵向位移和纵向应力变化趋势，以及包括弯矩、轴力、剪力在内的纵向内力分布规律，揭示穿越走滑断层隧洞错断破坏机理，剖析铰接式隧洞衬砌抗错断机制。研究表明：（1）在走滑断层的错动作用下，断层带附近衬砌应变较大，易发生屈服破坏；（2）断层错动作用使得主动侧隧洞衬砌产生纵向裂纹，随着错动量的增加，纵向裂纹逐渐演变成环形裂纹，衬砌发生隆起破坏，同时衬砌截面形状变为椭圆形；（3）铰接式衬砌破坏主要集中于断层错动面附近，表现为衬砌节段之间发生大角度转动和断层带内变形缝压剪破坏。