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。     

黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力研究

为研究黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力,引入黄土的结构性参数对芬纳公式进行修正,基于围岩与衬砌间的相互作用关系求解了围岩塑性区半径表达式,给出了黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力的计算公式。并以某黄土深埋大直径盾构隧道为例,分析了应力比结构性参数对围岩压力的影响,并将三维有限元数值计算与理论分析结果进行了对比。结果表明,围岩塑性区半径和作用在管片结构上的围岩压力随着应力比结构性参数减小在不断增大;盾构掘进后围岩压力的最大值与黄土结构性参数为1时的围岩压力理论计算值比较吻合,盾构施工扰动会导致黄土结构性减弱。最后给出了黄土盾构隧道施工与管片设计的建议。     

三维应力状态下圆筒形巷道塑性区次生应力、半径和位移

现有的圆筒形巷道塑性区次生应力、半径和位移的理论解是基于Mohr-Coulomb准则推导而得，但是Mohr-Coulomb准则没有考虑中间主应力的影响。为此本文利用双剪强度理论分析了三堆应力状态下圆筒形巷道塑性区次生应力、半径和位移。计算表明圆筒形巷道在三堆应力状态下塑性区半径和位移比二维应力状态下更小，据此可充分发挥岩体自身的承载能力，对岩体工程具有重要意义。     

挤压性围岩隧道大变形机理及分级标准研究

结合高地应力条件下挤压性大变形隧道--乌鞘岭隧道工程实例,通过变形的现场量测结果,分析了挤压性围岩隧道大变形的基本特征。采用室内试验及现场量测等手段,综合分析确定了围岩物理力学参数,定量分析了洞室周边产生塑性区的条件、塑性区及洞壁位移的影响因素、塑性区半径与洞壁位移的关系。以现场量测数据为依托,结合理论计算,参考以往类似隧道经验,分别考虑了围岩的相对变形、强度应力比、原始地应力、弹性模量作为分级指标,并提出了综合系数α指标,采用综合指标判定法给出了大变形的分级标准,以及相应的防治措施。     

不同强度准则下结构性黄土边坡稳定性分析对比研究

结构性是影响土物理力学特性的关键因素,结构性土的强度特性是土结构性研究的一个重要内容,结构性黄土存在拉剪破坏的可能,因此研究结构性黄土强度特性需要合理评价其抗拉强度,基于此,将已建立的不同结构性黄土强度准则引入强度折减有限元并进行边坡稳定性计算分析。结果表明:基于Mohr-Coulomb和联合强度两种理论所确定的潜在滑动面位置在荷载较小时没有明显差异。但是相同条件下前者计算出的安全系数比后者大,这种差异在含水量较小,结构性较强时比较显著;当含水量较大时,差异并不明显。     

深埋黄土盾构隧道围岩压力解析

随着盾构隧道工程的发展,越来越多的深埋黄土盾构隧道逐步出现。对其围岩压力进行准确计算对衬砌设计及服役期的安全评价具有重要意义。围绕深埋黄土盾构隧道围岩压力的计算,考虑盾构隧道衬砌与围岩的径向变形连续条件,基于芬纳公式,推导了盾构隧道衬砌内力、围岩应力及围岩变形的解析解;引入黄土结构性参数,给出了适用黄土盾构隧道的围岩压力解析解;结合隧道开挖后围岩的广义剪应变,构建了黄土隧道围岩结构性参数的求解方法;结合黄土结构性参数,讨论了围岩增湿对黄土结构性参数及围岩压力的影响。研究发现:广义剪应变在塑性区内沿径向增大,在弹性区内逐渐减小,2倍塑性区半径外基本稳定;围岩的黄土结构性参数在塑性区内可认为均匀分布;围岩含水率由2%增加至20%时,塑性区的扩大幅度约为33%,围岩压力的增幅约为10%。研究成果以期对深埋黄土盾构隧道的围岩压力计算提供思路。     

基于Mogi-Coulomb强度准则的隧道围岩理想弹塑性解答

合理选择岩石强度准则对隧道应力及位移预测和支护设计都具有重要意义,基于MogiCoulomb强度准则和理想弹塑性模型,通过中间主应力系数反映中间主应力的影响,推导了圆形隧道围岩应力和位移的解析解,并对所得结果进行比较与验证,得到了中间主应力和围岩抗剪强度参数的影响特性。研究表明:具有广泛的适用性和较好的可比性,Mohr-Coulomb强度准则解答和Matsuoka-Nakai准则解答均为其特例;结果关于中间主应力系数b=0.5对称,较好地反映了岩石强度的中间主应力效应及其区间性;粘聚力及内摩擦角对围岩塑性区半径和隧道洞壁位移的影响显著,应充分考虑中间主应力影响及围岩抗剪强度参数变化对隧道设计与施工的影响。     

岩石隧道塑性位移新解

 在统一强度理论和弹脆塑性模型的基础上,考虑塑性区围岩弹性模量的变化、中间主应力效应、围岩应变软化和剪胀等影响,推导了深埋圆形岩石隧道塑性位移新解。文中的隧道位移新解具有广泛的理论意义,可根据具体工程实际情况,进行多种合理选择。经工程算例分析可知,由塑性区半径相关的弹性模量计算得到的位移处于上、下限之间,反映了隧道开挖卸荷扰动影响的距离变化,更符合隧道变形真实情况,并得出统一强度理论参数和剪胀特性参数对塑性区位移的影响规律。研究结果表明：隧道塑性区位移受中间主应力、围岩剪胀特性和塑性区弹性模量的影响显著,三者相互影响,共同作用。     

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。     

考虑剪胀及软化的洞室围岩弹塑性分析的统一解

基于俞茂宏统一强度理论，考虑某些材料屈服后的强度衰减(塑性软化)和体积膨胀的特点，用弹性-塑性软化-塑性残余三线性应力-应变模型推导出了洞室围岩塑性残余区半径、塑性软化区半径、洞周边位移、围岩内任一点应力及围岩压力的解析表达式，给出了洞室围岩所处应力状态的判别式。得出的解答具有广泛意义，著名的Kastner公式、Airey公式和现有的一些结果为其特例。通过实例分析了剪胀、软化及不同强度模型对结果的影响。该结果在洞室围岩稳定性分析和加固等方面具有一定的工程实用价值。     

基于结构性黄土联合强度的邓肯–张非线性本构模型

基于Mohr–Coulomb强度准则建立的邓肯–张非线性本构模型可以较好地反映土体抗剪强度特性,但是不适宜反映土体的抗拉强度特性。为了合理反映结构性黄土的抗拉强度,首先,通过在邓肯–张非线性本构模型中引入联合强度准则,基于联合强度准则重新确定了土的强度(1 3?-?)f,从而对破坏应力比Rf进行了修正;然后,用修正后的破坏应力比Rf重新确定了切线变形模量Et;最后,用修正后的切线变形模量Et对切线泊松比νt进行了修正,从而建立了基于联合强度理论的邓肯–张模非线性本构模型,为邓肯–张非线性本构模型在结构性黄土边坡的稳定性研究中,合理考虑结构性黄土的抗拉强度特性的作用提供了一种新的方法和途径。     

关于土体隧洞围岩稳定性分析方法的探索

 长期以来,地下隧洞围岩稳定性分析没有科学合理的方法,一直停留在以洞周某点位移或塑性区大小的经验值作为判断稳定性的依据。隧洞洞周位移或收敛位移受围岩弹性模量、洞室形状大小等因素影响,洞周不同部位的位移值也不相同,很难找到统一的位移判据标准。以塑性区大小作为围岩稳定性的判据要优于位移标准,但围岩塑性区受泊松比、洞室形状大小等因素影响,不同软件计算出的塑性区大小也有差异,这种方法同样也不可靠。由此可见,传统的经验分析法不够合理。为此,提出将基于有限元强度折减法求出的安全系数作为稳定性分析判据,该判据有严格的力学依据,有统一的标准,而且不受其他因素的影响。以黄土洞室为例,提出洞室的剪切与拉裂安全系数的概念,通过不断折减土体的抗剪强度参数c,j 值或c,j 与抗拉强度,使黄土隧洞围岩塑性区不断扩展,直至塑性应变或位移发生突变时,即表明隧洞发生剪切破坏,此时的折减系数即为剪切安全系数。通过不断折减土体的抗拉强度参数,使黄土隧洞内临空面处(不包括底部临空面)围岩出现第一个单元拉裂破坏时,即表明隧洞发生拉裂破坏,此时的折减系数即为拉裂安全系数。该研究仅是对围岩稳定性分析方法的尝试性探索,供同行分析、讨论。     

考虑应变软化、剪胀和渗流的水工隧洞解析解

基于统一强度理论和弹脆塑性软化模型,考虑不同工况下主应力顺序、岩石应变软化、剪胀和渗流等综合影响,推导了圆形水工压力隧洞应力和洞壁位移解析解。通过工程算例,比较本文方法与传统方法的不同,说明考虑第一主应力的变化和渗流体积力更符合工程实际,并得出统一强度理论参数、软化特性参数和剪胀特性参数对隧洞切向应力和洞壁位移的影响特性。隧洞设计时,应依据围岩材料特性合理地选取统一强度理论参数,并考虑由于软化特性参数和剪胀特性参数的减小对隧洞切向应力和洞壁位移增大的影响。该结果为圆形水工压力隧洞弹塑性分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

圆形隧道弹塑性分析的强度理论效应研究

合理的强度准则对隧道围岩的弹塑性分析十分重要,首先归纳建立了平面应变条件下8种岩土常用强度准则的统一线性方程,进而考虑围岩剪胀特性和塑性区不同弹性应变情况,推导了理想弹塑性围岩应力和位移的新解,并对所得新解进行可比性分析,最后探讨了围岩弹塑性分析的强度理论效应与塑性区位移的参数影响特性。研究结果表明:本文统一线性方程应用简洁灵活,便于探讨强度理论效应;围岩弹塑性新解可退化为众多已有解答,具有广泛的适用性;隧道围岩的强度理论效应明显,应优先选用广义Matsuoka-Nakai准则、统一强度理论(b=1/2)、Mogi-Coulomb准则和广义Lade-Duncan准则,谨慎采用统一强度理论(b=1)、外接圆Drucker-Prager准则,不鼓励使用内切圆Drucker-Prager准则和Mohr-Coulomb准则;围岩塑性区位移受剪胀特性、塑性区弹性应变的影响显著,且不同强度准则下二者的影响程度不同,应综合考虑3种因素的共同影响。     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩三剪应力统一强度理论解

为了研究渗流、应变软化和扩容对巷道围岩稳定性的影响,首先根据三剪应力统一强度理论建立了平面应变状态下的屈服方程,将巷道围岩从外往内依次划分为弹性区、塑性软化区、破碎区,然后综合考虑渗流影响、应变软化、扩容以及塑性软化区和破碎区内弹性应变的2种情况,推导了各个区应力、位移以及塑性软化区和破碎区半径的三剪应力统一强度理论解,最后探讨了塑性软化区和破碎区弹性应变不同取值、孔隙水压力、软化模量、扩容系数对巷道围岩塑性软化区、破碎区位移和半径的影响。研究结果表明:1)应优先采用由广义胡克定律即情况2来确定塑性软化区和破碎区弹性应变比较合理;2)孔隙水压力对塑性软化区、破碎区位移和半径影响显著;3)软化模量对塑性软化区半径无影响,对塑性软化区和破碎区位移影响很小,对破碎区半径影响显著;4)不同扩容系数对塑性软化区半径无影响,对塑性软化区和破碎区位移、破碎区半径影响显著,应采用非关联流动法则对扩容进行分析。