含衬砌圆形压力隧洞弹塑性新解

 研究含衬砌圆形压力隧洞的弹塑性问题。考虑地应力的释放和衬砌安装的时序，提出合理模拟隧洞修筑过程的力学模型。运用Muskhelishvili复势理论的级数展开技术，构造合适的复应力函数，利用边界上位移和力的连续性条件，通过等式两边同次幂指数的系数比较，将问题转化为线性方程组的求解，得到围岩和衬砌内的复应力函数表达式。基于Mohr-Coulomb屈服准则，且考虑衬砌内、外边界以及弹塑性区交界面上的边界条件，得到弹塑性交界面位于衬砌内，屈服条件中的第一主应力分别为径向应力和环向应力时的解答，经典的Fenner公式和Savin解答等许多已往解答，可以作为其特殊情况退化得到。     

基于应变非线性软化的衬砌压力隧洞弹塑性解析解

基于岩体应变非线性软化本构模型,考虑中间主应力的影响,对等压荷载作用下的衬砌压力隧洞进行弹塑性分析。将围岩划分为裂缝区、塑性区、弹性区,推导出了围岩裂缝区、塑性区、弹性区及衬砌内任一点的应力和位移解析计算公式,并得到了使衬砌边缘岩体开始产生塑性变形的临界内压力。所得到的解与基于理想弹塑性体的Kaster’s解相比,更接近实际隧洞围岩受力变形情况。     

压力隧洞衬砌–围岩(土)相互作用研究

基于Biot理论，采用多孔弹性介质的渗流–力学耦合模型，研究了内水压力作用下隧洞衬砌–围岩(土)相互作用问题。考虑衬砌和围岩(土)的相对渗透性，隧洞处于半封闭状态。提出采用取决于岩土介质孔隙率的应力系数来确定隧洞边界上衬砌(围岩)介质和孔隙水分别承担的内水压力值。在Laplace变换域中得到衬砌分别为柔性和刚性条件下隧洞的应力和变形解答。通过算例分析了应力系数及衬砌的相对刚度对隧洞应力和变形以及孔隙水压力场的影响。     

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。     

压力隧洞衬砌-围岩(土)相互作用研究

基于Biot理论,采用多孔弹性介质的渗流-力学耦合模型,研究了内水压力作用下隧洞衬砌-围岩(土)相互作用问题。考虑衬砌和围岩(土)的相对渗透性,隧洞处于半封闭状态。提出采用取决于岩土介质孔隙率的应力系数来确定隧洞边界上衬砌(围岩)介质和孔隙水分别承担的内水压力值。在Laplace变换域中得到衬砌分别为柔性和刚性条件下隧洞的应力和变形解答。通过算例分析了应力系数及衬砌的相对刚度对隧洞应力和变形以及孔隙水压力场的影响。     

应用塑性强化理论分析隧洞衬砌和围岩的应力

本文系统地讨论了水工压力隧洞灌浆式预应力衬砌和围岩在各种受力状态下的应力分析方法。对承受内水压力作用,但不能应用迭加原理的这种灌浆式预应力隧洞,其衬砌和围岩应力分析较复杂,本文提出了一个层间压力扰动法可资求解。本文还将左拉博夫和O.E.布加叶娃关于压力隧洞灌浆式预应力混凝土衬砌水泥浆环于缩应力及混凝土社砌徐变应力的弹性理论计算法推广到弹塑性强化理论,给出了相应的计算公式。     

水工压力隧洞弹塑性应力计算

本文根据岩体强度试验结果,注意到水工圆形隧洞在均匀内压力作用下环向应力σ恒为拉应力,径向应力σ_r恒为压应力这一特征,重点考察被人们忽视的岩石拉应力区莫尔——库仑包络线,建立了水工圆形压力隧洞衬砌与围岩的弹塑性应力计算方法,给出了水工圆形压力隧洞衬砌与围岩加载应力和卸载残余应力解析表达式,纠正了莫尔——库仑包络线拉应力区在水工压力隧洞研究中长期被忽视所造成的错误。文中算例表明衬砌内的卸载残余应力均为拉应力。     

压力隧洞充水运行过程的数值模拟分析研究

在压力隧洞充水运行时，对衬砌与围岩之间的接缝采用接缝空腔单元模拟。运用荷载分级、变刚度迭代的三维弹塑性有限元法合理地模拟衬砌与围岩的接触过程。根据接触过程中衬砌塑性区、应力场和位移场的变化规律，在其可能开裂部位通过设置预裂单元模拟衬砌开裂后其切向应力的释放、转移过程。最后通过一工程实例计算得出一些有实际工程参考价值的结论。     

各向异性岩体中不同接触衬砌隧洞的解析分析

通过复变函数方法建立分析了非圆形水工衬砌隧洞,在衬砌与围岩处于完全和光滑接触条件下的解析解,考虑了衬砌的支护滞后效应和洞内水压作用。研究了正交各向异性岩体中的马蹄形衬砌隧洞,在不同接触条件和洞内压力工况下,接触边界和衬砌自由边界上的应力和位移解。接触条件对衬砌接触边界的切向应力分布影响最显著,完全接触条件下两底脚的切向压应力最大,光滑接触条件下最小。岩体各向异性和倾斜结构面对衬砌中力学分量的非对称性影响在完全接触条件下明显。完全接触条件可高效发挥衬砌的支撑作用,光滑接触条件使岩体的自承能力充分体现。衬砌在两种接触条件下均承担了大部分由水压引起的张拉效应。     

设集中排水的水工压力隧洞含水围岩弹塑性应力分析

本文依据《水工隧洞设计规范SDB4-84》,将外水压力作场力处理,且注意到水荷载有着荷载历史这一特点,系统地讨论了水工压力隧洞含水围岩渗透水压力分布规律,建水了设集中排水的水工压力隧洞衬砌与围岩在施工期和运行期的弹塑性应力分析方法,给出了相应的解析计算公式。     

考虑温度影响的球形盐穴弹塑性解析分析

地下盐穴储库在存储运营过程中洞室内的高温是关乎盐穴稳定性的重要因素。将地下盐穴储库的形状简化为球形,考虑温度不均匀变化产生的热应力以及温度对黏聚力的影响,基于Mohr-Coulomb屈服准则、理想弹塑性模型以及非关联的流动法则,得到了存储内压、地应力和温度共同作用下盐穴储库围岩应力及位移的解析解答,与相同假定下有限元模型的结果吻合很好。分析了温度以及温度引起的盐岩黏聚力劣化对盐穴稳定性的影响。结果表明,温度对于盐穴洞室的稳定性有着不可忽略的作用,温度升高促进了塑性区半径和变形的扩展;高温差下盐岩黏聚力劣化对塑性区的影响更加明显。     

巷道围岩松动圈形成机理的动静力学解析

考虑巷道围岩在开挖过程中的动静力作用,提出了围岩松动区包含破碎区和塑性软化区两个部分。首先在围岩的瞬间卸载所产生的动力作用下,巷道周边围岩产生张拉裂隙破坏区,随后在原岩应力的静压作用下,产生拉剪复合破坏形成破碎区。塑性软化区是在原岩应力的静压作用下,随围岩变形的增大逐渐形成的。同时,根据弹性力学知识,得到巷道围岩由于开挖扰动和原岩应力作用引起的弹性应力场和位移场,提出了破碎区半径的求解方法。根据破碎区围岩应力的分布及残余强度理论,得到破碎区对塑性软化区的支撑反力,再利用塑性区的应力计算公式,得到了确定围岩松动区半径的计算公式。通过实例计算与实际监测对比表明,松动区的半径与现场实际观测到的结果吻合的较好。     

地下硐室围岩应力状态及相关参数测量结果的分析与评价

在深埋及压力硐室工程中,采用水压致裂法测定围岩三维应力状态,宜首先判定围岩应力的分布状况。在具有应力松弛圈、应力集中区与不受开挖影响的正常应力分布域情况下,只有分别进行计算分析,才能更为真实地揭示出硐壁围岩的三维应力分布特征。对于确定压力硐室围岩自身承载能力的水力劈裂测试成果,只有结合裂隙性状、岩层结构状况等进行全面分析,才能准确评价围岩的抗载强度。由于在高压力作用下,岩体中存在的软弱结构面有可能被张裂或扩展,从而改变岩层的透水性,因此只有按照工程运行状态下围岩实际承受的压力进行高压压水测试,才能得到岩层透水性的可靠资料。     

地下硐室围岩应力状态及相关参数 测量结果的分析与评价

 在深埋及压力硐室工程中，采用水压致裂法测定围岩三维应力状态，宜首先判定围岩应力的分布状况。在具有应力松弛圈、应力集中区与不受开挖影响的正常应力分布域情况下，只有分别进行计算分析，才能更为真实地揭示出硐壁围岩的三维应力分布特征。对于确定压力硐室围岩自身承载能力的水力劈裂测试成果，只有结合裂隙性状、岩层结构状况等进行全面分析，才能准确评价围岩的抗载强度。由于在高压力作用下，岩体中存在的软弱结构面有可能被张裂或扩展，从而改变岩层的透水性，因此只有按照工程运行状态下围岩实际承受的压力进行高压压水测试，才能得到岩层透水性的可靠资料。     

盐岩屈服–破坏特征的试验及理论研究

围岩塑性区及破坏区的范围是盐岩地下储气库群腔体间距设计的重要因素,盐岩屈服及破坏特性的精确描述对于减少腔体间距,以及在有限的盐岩建库区建设更多的储气库具有重要的意义。基于盐岩的单轴、三轴应力–应变试验曲线,分析盐岩的屈服–破坏特征,将腔体围岩分为弹性区、塑性区及破坏区。试验结果表明：盐岩的屈服表现出强烈的线性特征,能够用Tresca屈服准则来描述盐岩的屈服特性,以塑性应变第二不变量为硬化参数研究盐岩的硬化特征,发现盐岩为等向硬化材料。在屈服方面,盐岩表现出金属材料的特征;在破坏方面,盐岩表现出岩土材料的特性。试验观察到剪切破坏以及轴向劈裂破坏,并基于厚壁圆筒理论解释单、三轴压缩试验中出现的轴向劈裂破坏现象。同时发现盐岩的破坏特征具有强烈的围压相关性,当围压≥5 MPa时,盐岩即使达到很大的变形(20%)依然能够承载而不发生破坏。基于莫尔–库仑准则,引入一条与围压相关的坏准则,最终建立包括拉破坏、剪破坏以及不破坏的盐岩破坏准则,基于破坏准则将应力空间划分为3个区：拉破坏区、剪破坏区以及不破坏区。在FLAC中修改本构以及自定义状态参量,通过简单模型得到围岩的弹性区、塑性区以及破坏区,验证屈服准则、破坏准则以及围岩分区的正确性。     

窄缝局部应力解除和窄缝弹性模量试验拓宽应用的研究

 在地下洞室稳定分析中,洞室横截面关键部位岩壁上的围岩应力状态是至关重要的,通常由地应力测量和计算分析得到。但地应力测量费工费时,尤其在高地应力地区地应力测量比较困难,不易获得可靠的地应力实测资料,因此在地下洞室稳定性分析中往往缺乏重要依据。而评价洞室稳定性关键性资料是它横截面上洞壁的围岩应力状态。建议在洞壁上采用窄缝局部应力解除法测量洞壁关键部位的应力状态,只要在洞壁待测部位凿3个以上不同方向的窄缝槽,测量由凿槽引起的变形,就可测定此洞壁关键部位上的二维应力状态。在现场窄缝法岩体弹模试验后,拓宽应用它的试验成果,也即在试验中,设想继续提高埋设在窄缝槽中压力钢枕的压力,直到它引起的位移抵消由凿槽引起的位移,测得假设的窄缝槽中垂线上法向应力,然后推求洞壁上围岩应力,作为由窄缝局部应力解除法测定的洞壁围岩应力的补充,并进行相互印证。在工程应用实例中获得较好的效果。     

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。     

顶爆作用下地下大跨度硐室抗爆性能研究

钻地武器爆炸荷载下地下工事的稳定是保障军事和物资储备安全的前提。通过物理模型试验和数值模拟相结合的方法,研究了顶爆作用下大跨度地下硐室的抗爆性能。研究结果表明:随着爆心距的增加,压应力峰值和位移峰值均逐渐降低,加速度响应主要发生在前20 ms;8 g TNT当量顶爆荷载作用下,爆点附近围岩破坏严重,硐室拱顶内壁出现轻微纵向裂缝,总体保持稳定;随着爆压峰值的增大,硐室变形逐渐增大,塑性区逐渐由爆腔向硐室扩展,衬砌结构的塑性区破坏范围也同步增大。根据硐室动态响应规律,可以针对硐室上方围岩和拱脚进行锚杆锚索加固,从而提高硐室的抗爆性能。研究结果可以为大跨度地下硐室抗爆设计提供有益借鉴。     

锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定分析及支护设计

锦屏二级水电站引水隧洞地处高山峡谷地区,埋深大、洞线长,高地应力、高外水压力问题突出。按照围岩是地下工程中主要的承载结构这一设计思想,应用弹塑性有限元法分析了锦屏二级水电站引水隧洞开挖及支护过程中围岩的变形规律与特征、围岩应力分布及其变化规律、塑性区范围,比较研究了不同渗控方案对隧洞围岩和衬砌的工作状态的影响,得出了一些对高地下水位条件深埋引水隧洞的支护设计有普遍意义的结论。