基于Hoek-Brown准则下的富水透水隧洞非线性解析

将具有衬砌的圆形隧道各影响因素简化为轴对称问题。以渗透体积力的方式作用在应力场,基于Hoek-Brown强度准则,推导出塑性区应力场和塑性区半径的解析表达式。实例分析表明,随内外水头差的逐渐增大,渗流场和应力重分布对应力场的影响作用将显著增大,且对切向应力的影响程度要比径向应力的大,洞周压应力和塑性半径逐渐减小。随着m的增大,应力和塑性区半径均随之增加,塑性区半径与参数m为非线性递增关系。算例对比分析表明:考虑应力重分布和渗流时其塑性区半径较不考虑二者时大。     

基于Hoke-Brown准则的深埋圆形透水隧洞弹塑性分析

针对深埋圆形隧洞轴对称问题,将Hoke-Brown准则方程代入考虑渗透体积力影响的平衡微分方程进行求解,得到关于塑性区洞周应力的隐式方程,通过求解超越方程得到塑性区洞周应力数值解;再考虑应力重分布影响,利用塑性区半径处应力连续条件得到弹性区岩体应力数值解。将该解答与基于Mohr-Coulomb准则的解答进行了比较。结果表明,两种准则条件下岩体应力分布规律相似。采用Hoke-Brown准则计算时,塑性区较小,径向应力绝对值较大,塑性区环向应力也较大;采用Mohr-Coulomb准则准则计算时,塑性区较大,径向应力绝对值较小,塑性区环向应力也较小。在内外水头比值较小时,按Mohr-Coulomb准则求得的峰值应力较按Hoke-Brown准则求得值大,当水头比较大时则相反。     

基于幂强化-理想塑性模型的深埋圆形水工衬砌隧洞弹塑性解

为了求解围岩与衬砌相互作用体系下深埋圆形水工衬砌隧洞的应力和位移,首先假定围岩采用幂强化-理想塑性模型,衬砌采用理想弹性模型,然后考虑渗流影响和主应力顺序,推导了施工期和运行期两种工况下深埋圆形水工衬砌隧洞的弹塑性解,最后探讨了围岩与衬砌渗透系数比、幂强化参数、屈服准则三个参数对塑性区半径、切向应力和位移的影响。研究结果表明:围岩与衬砌渗透系数比对施工期切向应力、施工期和运行期塑性区半径影响非常显著;幂强化参数对施工期、运行期的位移和塑性区半径影响比较显著;不同的屈服准则对施工期、运行期塑性区切向应力和塑性区半径影响比较显著。考虑围岩与衬砌的相互作用更接近于工程实际。     

充水岩溶隧道渗流场解析解研究

以复变函数的反演变换和地下水水力学理论为基础,推导出充水岩溶隧道渗流场解析解,引入布拉修斯公式和伯努利方程求解出隧道所受的渗流力,并与双井解和数值解进行了对比验证。对隧道与溶洞的间距和隧道半径对隧道压力水头和横向力产生的影响进行了分析。研究结果表明:在水压强度相同的条件下,隧道距溶洞距离越大定点压力水头越小,随着隧道半径的增大定点压力水头逐渐变小;隧道所受溶洞水渗流力随着隧道距溶洞距离的变大逐渐变小,且达到5倍隧道半径时可以忽略其对隧道的影响,隧道所受溶洞水渗流力随着隧道半径的变大逐渐变大。     

均匀地应力场下圆形隧道静态弹塑性解析方法

针对圆形隧道的弹塑性解析中许多能更好地反映岩石特性的本构模型由于数学求解的困难而得不到广泛应用的问题,进行新的尝试。首先,基于单一曲线和体积不可压缩假设,总结完善一种更为简便的解析方法。其次,运用该解析方法,针对6种不同的本构模型,计算围岩的弹性区和塑性区应力、塑性区半径、围岩平衡方程、围岩自承地应力上下限等,得到精确或近似的解析表达式。针对线性软化本构模型,引入Lambert函数给出塑性区半径R的解析表达式,论证围岩平衡曲线中R的取值范围。针对Nelder非线性软化本构模型,引入幂函数给出拐点横坐标以及拐点处降模量的近似计算式。当峰后为Weibull非线性软化本构模型时,由于whittaker函数无法求反函数和极限,故而提出以Gauss公式拟合整条围岩平衡曲线,再以Gauss反函数的求解得到塑性区半径的新思路。最后,对比分析6种本构模型的解析结果之间的差异后得出,非线弹性情况下得到的围岩自承地应力上限比线弹性情况下高,而应力集中系数低,应力集中位置偏离弹塑区边界位于弹性区内,切向应力再分布曲线上不会出现尖角,这些都与实际更为相符。因此,不论是软岩或是硬岩,使用连续而光滑的本构模型进行弹塑性分析可以得到更为符合实际的结果。     

基于改进双剪统一强度理论的围岩松动圈分析

为了研究岩石应变软化、剪胀性质、中间主应力和拉压不等特性对围岩松动圈的影响,基于改进双剪统一强度理论,得到了隧道围岩松动圈半径、围岩应力及洞壁位移的解析表达式。通过与已有方法计算结果的对比,验证了该方法的可行性,并进一步分析了中间主应力大小以及软化程度对结果的影响。研究结果表明:(1)随着软化模量的降低,隧道围岩塑性区、松动区(圈)半径以及洞壁位移均逐渐减小;(2)中间主应力大小对隧道围岩弹塑性行为具有一定的影响,随着中间主应力系数b的增大,围岩的切向应力在塑性软化区、破碎区内变大,而在弹性区内减小,围岩的径向应力在3个区域内均增大;(3)隧道洞壁位移随着中间主应力系数b的增大而减小;(4)考虑中间主应力的影响以及围岩软化的程度,能够充分发挥围岩的强度潜能,合理指导隧道布置、支护设计与施工。该结果为隧道围岩松动破裂分析提供了理论依据,具有一定的工程参考价值。     

排水条件下球形空腔收缩问题的弹塑性分析

针对工程中大量涉及的孔收缩问题，推导了排水条件中不考虑塑性区弹性变形的球形空腔收缩的应力场和位移场，讨论了各种参数的影响，并揭示了钻孔开挖形成的塑性区范围与应力释放程度之间的关系。研究表明：同一深度下，随着钻孔孔径的减小，其塑性区范围也将减小，圆拱效应逐渐增强；在同一孔径下，随着钻孔深度的增加，形成的塑性范围也将逐渐减小；随着支护压力的逐渐减小，产生塑性变形后，其塑性区范围逐渐增大；位移主要发生在塑性区，最大位移发生在钻孔周边，随着深度的增大，位移减小；剪胀角对钻孔周边位移有显著影响，随着剪胀角的增大，钻孔周边的位移逐渐减小，在弹塑性交界处附近影响很小。     

粉喷桩对桩周土体扰动的弹塑性分析

针对粉喷桩施工过程中对土体扰动的情况,提出了粉喷桩对桩周土体扰动的弹性阶段及塑性阶段的径向应力、切向应力变化及径向的位移解析解,并求解出塑性区与弹性区边界大小的解析解。     

拉压模量不同的剪胀土体中的球孔扩张问题

土体具有不同的拉压模量和剪胀特性。为使球形孔扩张问题的解答更符合实际情况,根据不同模量弹性理论和非关联Mohr-Coulomb流动法则研究了球形孔扩张时弹性区和塑性区的应力和位移,得到了弹性区和塑性区的径向应力和环向应力的解析解以及最大塑性区半径与扩张压力的计算表达式。探讨了不同拉压模量之比、拉压泊松比和剪胀角对球形孔扩张的扩张压力及塑性区半径的影响。结果表明:拉压模量比、拉压泊松比和剪胀角对球孔扩张时塑性区的开展和扩张后土体的应力有重要影响,计算中忽略这些参数将带来较大的误差。     

结构性黄土深埋盾构隧道围岩力学特性研究

盾构施工会破坏黄土结构性,为探求黄土结构性变化对盾构隧道围岩力学特性的影响,引入应力比结构性参数对摩尔-库伦强度准则和芬纳公式进行修正,通过建立黄土围岩和管片之间力和位移的连续条件,对围岩塑性区半径进行了求解,并对解析解进行了对比验证,最后分析了关键参数对围岩力学性态的影响。结果表明:(1)太沙基土压力公式计算结果介于解析解上限值与下限值之间;(2)随着应力比结构性参数的增大,对应的塑性区半径和围岩压力值在不断减小;(3)随着覆跨比的增加,塑性区半径不断减小,围岩压力值不断增大,当黄土结构性比较强时,隧道覆土厚度达到一定值之后围岩压力解析公式才适用;(4)围岩压力和塑性区半径与开挖半径近似呈线性正相关关系。     

Rational permeability coefficient of a permeable lining for composite tunnel lining structures

 Various factors influence the tunneling are simplified considering the axial symmetry of the composite lining structure. The analytical expressions for the seepage field,stress,and displacement in the surrounding rock and those for the grouting circle,permeable lining,and ordinary lining are obtained according to the principle of effective stress. The seepage discharge,plastic zone,stress,and displacement around a tunnel affected by the different permeability coefficient ratios between the permeable lining and surrounding rock are studied. The reasonable value of permeability coefficient for the permeable lining are discussed. The results show that the grouting circle controls the tunnel seepage discharge well and has a reasonable permeability coefficient and an optimal radius. The grouting circle controls the plastic zone development in the surrounding rock,i.e.,the thicker the grouting circle,the smaller the plastic zone in the surrounding rock. The tunnel seepage discharge and the effective stress in the grouting circle and lining increase gradually with the increasing of permeability coefficient ratio and tend to be stable after the ratio reaches 0.1. Comprehensive analysis on the factors such as the stability of tunnel seepage discharge,the plastic zone of the surrounding rock and the stress around the tunnel indicates that it is relatively reasonable for the permeability coefficient ratio to be greater than or equal to 0.1.     

深埋水工圆形隧洞塑性位移三剪统一解

基于三剪统一强度准则和弹脆塑性模型,考虑中间主应力、渗流、剪胀、软化和塑性区弹性模量等因素的影响,推导了含有5种因素综合影响的水工圆形隧洞塑性区位移解析解;通过算例分析,得出了各参数对隧洞塑性区位移的影响规律。结果表明:各参数取不同值时,位移解可退化为一系列解,参数值可根据具体工程进行合理选择,具有广泛的适用性;围岩剪胀特性对隧洞塑性区位移的影响显著,若不考虑其影响,将明显低估隧洞的变形以致工程设计偏于危险;考虑中间主应力的影响能发挥围岩的强度潜能,减少支护,节约工程造价;考虑渗流和软化特性对隧洞塑性区半径的影响可使塑性区范围更接近围岩真实的变形范围;塑性区弹性模量采用含有半径幂函数的表达式可充分考虑围岩受扰劣化后的应力重分布及爆破损伤等影响,更符合隧洞真实变形情况;该位移解为隧洞塑性区位移计算提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析

首先根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、渗流场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。然后应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式。最后给出了一寒区隧道考虑渗流和冻胀时的温度场和应力场算例。算例表明冻胀力对隧道衬砌应力的影响很大,应充分考虑这一因素的影响。     

Nonlinear analysis for the coupled problem of temperature, seepage and stress fields in cold-region tunnels

In this paper, a mathmatical mechanical model and the governing differential equations of the coupled problem of temperature, seepage and stress fields with phase change are first derived from the theory of heat transfer, the theory of seepage and frozen soil mechanics. Then the finite element formulae of this problem are obtained from Galerkin's method. Finally, an illustrative example of the temperature field and stress field in a cold regions tunnel, considering the seepage and frost-heaving force influence, is provided. The example shows that the influence of frost-heaving force on the stresses of the tunnel lining is very large and, thus, the effect of this factor on the tunnel lining should be taken into account in the cold regions engineering design.     

隧道透水性衬砌环渗透系数合理取值与工程措施探讨

应用地下深埋隧道渗流场和考虑渗透体积力的弹塑性解,结合某工程实例分析衬砌与围岩渗透系数不同比值对隧道渗流场、渗漏流量、塑性区、位移和衬砌围岩压力等影响规律,探讨透水性衬砌的可行性和合理渗透系数取值。实例分析表明,当衬砌为不透水材料时,洞周围岩中孔隙水压、塑性区、塑性区边缘的位移和衬砌承受的围岩压力均最大;若稍增加衬砌渗透性,则孔隙水压、塑性区、塑性区边缘的位移和衬砌承受的围岩压力迅速减小;随衬砌渗透系数与围岩渗透系数比值的逐渐增大,趋于稳定值。分析结果进一步表明,采用透水性衬砌是可行的,且当衬砌渗透系数与围岩渗透系数比值等于或大于1.0时较为合理。最后,针对洞周环境要求的渗流量以及钢筋混凝土衬砌的耐久性问题提出衬砌环的设计思想,并探讨具体工程措施,以便工程设计参考。     

溪洛渡拱坝坝基渗流-应力耦合分析研究

把裂隙岩体概化为等效连续介质 ,基于表征单元体的概念建立了统一的渗流 弹塑性应力全耦合控制方程。对拱坝坝区耦合分析表明 ,与非耦合计算相比 ,渗流场差别非常明显 ,结构面的抗滑能力有所降低 ,对坝体的安全产生不利影响。     

二向不等围压条件下考虑软化及剪胀的圆形隧洞弹塑性解

 基于弹塑性软化模型和非关联流动法则,考虑侧压力系数、极轴夹角和不同工况主应力对应关系,同时结合屈服后岩体的软化和剪胀特性,推导出圆形隧洞在二向不等压受力条件下洞周围岩的弹塑性应力、位移和塑性半径的解析解。实例分析表明,侧压力系数和主应力对应关系决定洞周塑性区的分布形状。剪胀对洞周位移的影响远大于对塑性半径的影响;剪胀程度的变化对洞周变形的影响随着围岩软化性质的增强而增大。在以洞周变形为控制的工程项目中,围岩软化和剪胀特性的影响不能忽视。     

考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场解析研究

体外排水方式在隧道工程中已得到逐步应用,但考虑注浆作用的体外排水隧道渗流场解析理论未见报道,导致理论滞后于工程实践。基于镜像法与渗流力学理论,提出了考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场理论模型,通过解析退化、数值仿真两种方法共同验证了理论模型及解析公式的正确性,探讨了注浆圈渗透系数与厚度对涌水量、隧道外水压力的影响规律。分析结果表明：注浆圈渗透系数对体外排水隧道渗流场存在显著影响,随注浆渗透系数比值增大,涌水量可得到明显控制,但会引起外水压力的增长;注浆圈厚度影响相对较小,其影响主要在于厚度值越大时能一定程度上加强对底部结构外水压力的控制。提出了兼顾隧道限排要求与隧底水压力控制效果的合理注浆圈参数。研究成果以期为体外排水隧道注浆参数设计及施工实践提供参考。