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。     

基于统一强度理论的深埋圆形岩石隧道收敛限制分析

基于统一强度理论和非关联流动法则,考虑中间主应力、围岩软化、剪胀和塑性区较小弹性模量等综合影响,推导了深埋圆形岩石隧道围岩特征曲线解析新解。采用较合理的 Vlachopoulos 公式确定隧道纵向位移释放系数,利用收敛限制法对比两种支护起始位置方法下支护压力的差异。研究结果表明：统一强度理论参数对围岩特征曲线和隧道纵向变形曲线的影响显著,考虑中间主应力效应可以更加充分发挥围岩的强度潜能,塑性区弹性模量和剪胀参数对围岩特征曲线的影响显著,不同支护起始位置方法确定的支护压力差异明显。     

深埋隧道软弱围岩稳定性分析及其锚固控制研究

近年来,随着我国地下基础设施的蓬勃发展,进入大规模地修建地铁项目阶段,城市之间的高铁项目如火如荼地建设中,同时采矿工程不断深入和大型水利工程的修建等。在这些建设过程中,常出现开挖后围岩的失稳破坏而发生塌方,特别是深埋条件下具有强度低、大变形特点的围岩失稳问题尤为突出。因此,开挖后软弱围岩稳定性分析及其加固控制对隧道工程设计和安全施工具有重要的意义。目前,对围岩的力学理论及应用研究取得了一定的成果,但是仍然跟不上现有的隧道工程建设,出现了理论研究明显落后于施工经验的局面,导致频频发生工程事故,究其原因是对开挖隧道后围岩变形特性的认识不足,缺乏及时加固控制的意识。本研究针对这些问题,以开挖隧道后围岩的塑性区力学状态和位移变形为基础,采用理论分析、室内试验和数值模拟等相结合的方式系统研究了开挖隧洞后围岩变形破坏的力学本质,揭示了围岩破坏后塑性区内的力学参数和位移的演化过程,探讨了深埋隧道围岩破坏的渐进性过程及锚杆锚固机制。完成的主要研究工作和成果总结如下:(1)从隧洞开挖后周边围岩的应力状态发生内力重分布为出发点,提出了应变软化模型下围岩的弹塑性有限差分解法,比较不同方法计算结果验证该方法的正确性,参数分析结果表明:剪胀特性对隧道洞壁处围岩的位移和塑性区半径影响较大,需要重点考虑岩体的剪胀性;临界软化系数对围岩的塑性区半径和残余区半径的影响较大;H-B屈服准则中"a"强度参数对判断围岩的稳定性具有重要影响,在计算过程中谨慎取值,建议采用广义H-B屈服准则;基于圆筒理论的弹性应变公式,同样适用于开挖隧道后应变软化围岩的稳定性分析中。(2)针对围岩的剪胀性和应变软化随围压变化的特性,根据剪胀性和应变软化是否考虑围压变化,建立不同的剪胀模型组合,探究了不同质量岩体的力学参数对塑性区围压变化的依赖性。研究结果表明,根据不同质量岩体塑性区内的力学参数对围压的依赖性不同,由于质量较好岩体的围压依赖性较低,建议采用剪胀角和临界软化系数均为固定的剪胀模型,但是质量较差岩体的围压依赖性较强,建议采用剪胀角和临界软化系数均随围压变化的剪胀模型。(3)基于统一强度理论,考虑中间主应力对应变软化围岩稳定性的影响,揭示了中间主应力对围岩特征曲线、纵向位移曲线和塑性区内非线性剪胀性的影响规律。结果表明,围岩稳定性研究的力学模型对分析结果影响较大,弹塑性模型未考虑围岩材料强度的弱化,计算结果偏小,不建议采用;中间主应力可以有效抑制塑性区半径和隧道洞壁处位移的发展,充分发挥围岩承载潜力,不考虑中间主应力效应的莫尔库伦强度准则,计算结果保守,可适当考虑围岩的承载潜力,而双剪强度准则计算结果偏小,不建议采用;纵向塑性发展上,考虑中间主应力的围岩在隧道掘进方向上的位移收敛速度增加,可以适当推迟支护结构施加的时间;对于塑性区内剪胀角变化的影响,中间主应力系数和临界软化系数分别体现在剪胀峰值和剪胀角的变化率上。(4)通过室内模型试验和FLAC3D数值模拟,再现了开挖隧洞后毛洞,施加短锚杆和长锚杆工况下IV级围岩的渐进性破坏过程和研究了锚杆对围岩的锚固效应。开挖隧洞后围岩的渐进性破坏顺序是边墙处的围岩首先发生剪切破坏,随后拱腰处剪切破坏,最后拱顶塌陷破坏;施加锚杆后的围岩,特别是拱顶部分围岩由于锚杆的加固作用形成了"加强梁"的作用,使得拱顶所能承受的最大沉降及其破坏荷载显著增加;锚杆的长度需要穿过拱顶塑性松动区(塑性残余区),否则,被锚固的围岩与上部未被锚固的围岩之间存在"分层"现象;锚杆可以显著改变围岩内部径向应力,表现在锚杆末端处围岩的径向应力增加。(5)锚杆通过与围岩之间的相互作用,其末端的锚固段将洞壁附近拉拔段的围岩"紧箍"起来使得洞壁处周边围岩变形减小;锚杆两端剪应力较大,特别是锚杆末端,应防止锚杆末端的剪应力较大超过砂浆与锚杆之间剪切强度而发生脱落;锚杆施作时机对锚杆应力分布和围岩变形控制影响较大,需要及时施作锚杆以达到较好的锚固效果,以免无效锚固;锚杆对具有大变形和弹性模量小的软弱围岩锚固效果较好,而对质量较好、弹性模量较大的硬岩锚固效果并不显著。     

圆形巷道围岩应变软化弹塑性分析

 岩土类材料广义上都呈应变软化力学行为,考虑峰后岩石应变软化过程中引起后继强度面收缩的特性,认为岩体在足够小的局部范围内材料特性保持不变,将后继破坏岩体分为多个塑性区,给出基于平面应变和Mohr- Coulomb准则的围岩准应变软化弹塑性应力解析式,并给出符合围岩后继强度和变形演变规律的各软化区半径求解方程组。洞室围岩变形特征曲线是地下工程支护设计的重要依据,考虑岩体破裂过程中变形参数不断劣化的特性,分析剪切模量劣化对围岩变形、软化半径及破裂半径的影响。最后通过算例对模型进行验证,计算结果可以对地下工程的优化支护设计及安全性评价提供理论依据。     

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。     

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。     

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。     

考虑围压影响的深埋圆隧围岩应变软化与剪胀特性分析

 不同围压下岩石应变软化与剪胀特性不同,若在隧洞开挖中考虑围岩塑性区域内变化围压影响,其应力–应变场求解方式将区别于既有文献中的传统方法。根据围压影响下应变软化围岩的临界塑性剪切应变变化特征,给出改进的判断围岩是否进入塑性残余区域的规则;引入考虑围压与临界塑性剪切应变的非线性剪胀模型。基于Hoek-Brown屈服准则,根据一定径向应力增量将围岩塑性软化与残余区域分层,采用有限差分法对围岩应力–应变场进行求解;为分析围压对围岩稳定性的影响,根据临界塑性剪切应变与剪胀系数变化与否,设定4种非线性力学模型,深入分析并比较4种力学模型下临界塑性剪切应变、剪胀系数与围岩变形等在塑性软化与残余区域的分布规律。研究结果表明：地质强度指标GSI较小时,考虑围压影响下的围岩应力–应变场与未考虑时差异明显;此时临界塑性剪切应变的减小对开挖边界的围岩剪胀性具一定抑制作用。     

考虑中间主应力的横观各向同性深埋圆隧弹塑性解

平面应变条件下的深埋圆形交通隧道问题一般忽略中间主应力影响,但塑性区围岩的变形与实际情况会产生较大差异。岩土与地下工程中多遇到层状岩体,常将其处理为横观各向同性固体材料。充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,基于平面应变假设得出了与横观各向同性材料相适应的Drucker-Prager准则并将其与Mohr-Coulomb准则精确匹配,在此基础上推导了考虑剪胀特性的横观各向同性理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式;根据所得的中间主应力表达式,推导出横观各向同性深埋圆形隧道围岩塑性区应力位移解析式;结合实际算例,分析了横观各向同性参数与围岩剪胀角对横观各向同性深埋圆形公路隧道围岩塑性区位移的影响规律。为深埋圆形交通隧道的计算和设计提供更为合理的理论基础。     

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。     

深埋岩体隧道开挖面三维非线性挤出效应分析

深埋高应力覆存环境下的岩体隧道处于复杂真三维应力状态,围岩力学行为与浅埋隧道存在明显差异,传统的强度理论与分析方法已经不能满足深埋隧道围岩稳定性精细化分析的要求;开挖面三维空间效应问题在浅埋隧道设计与施工常被简化甚至忽略,但其对深埋隧道围岩稳定和施工安全的影响必须予以重视。为此,以西部典型深埋隧道为对象,建立精细的三维地质模型和隧道数值分析模型,采用三维GZZ强度准则对不同埋深隧道的开挖过程进行三维有限元模拟,分析开挖面三维非线性空间效应,揭示开挖过程复杂应力路径及非线性挤出变形的时效演变机制。研究表明:(1)采用现场三维照相、激光扫描和三维重构等数字化采集技术,可快速、自动、准确获取岩体GSI等GZZ准则输入参数,实现了深埋隧道围岩稳定性三维分析;(2)深埋隧道开挖面挤出变形比浅埋隧道更加显著,挤出变形主要为塑性变形,变形量随埋深呈现出抛物线变化,且开挖面进入塑性屈服状态早于洞周围岩;(3)开挖面前后3～4 m范围内具有显著的三维空间效应,3个主应力均发生了巨大变化,且伴随明显的应力主轴旋转,该现象主要由开挖面处急剧增加的切应力导致;(4)开挖面中心岩石应力水平I1远低于洞周围岩,开挖卸载导致的岩体不稳定性比处于加载状态的洞周围岩更加严重;(5)深埋隧道钢拱架扭曲变形和围岩非均匀纵向变形主要与σ_3和σ_2有关,且超过一定埋深时,σ_2的作用显著增加。     

岩体三维精细本构理论与深埋隧道应力控制设计分析方法EI北大核心CSCD

向地球深部进军是必须解决的战略科技问题,深部岩体隧道的智能建造是当今隧道工程建设的重要发展趋势,采集精细化、分析精确化、控制精准化是智能建造的核心内容,也是制约深埋隧道高效、安全建造的主要瓶颈。传统计算模型没有反映深部岩体力学特征,模型参数主要由室内岩石力学试验或现场位移反分析确定,缺乏实时、快速、动态获取岩体参数并进行三维正分析和动态设计的方法;同时,现有的隧道工程设计分析思路主要是基于对变形的目标控制(变形控制),忽略了深埋隧道开挖过程中卸荷岩体应力分布和转移的过程调控(应力控制)机制。综合采用理论分析、数值模拟和试验测试等手段,研究高应力和复杂应力环境下深部岩体三维、非线性强度特征和力学行为,基于数字化原位测试获取岩体参数并进行三维(正)分析和动态设计,形成深埋岩体隧道三维设计分析理论和“应力控制”设计分析方法。本文主要创新成果包括:(1)改进了广义Zhang-Zhu(GZZ)岩体三维强度准则,克服了GZZ准则在高应力下的非光滑、非全凸的局限性,满足了深部岩体工程强度分析的需要。(2)建立了考虑围压和塑性剪应变的岩体峰后剪胀角模型,给出了模型参数(单参数)的正分析取值方法,提升了多参数岩体剪胀角模型在深部岩体工程中的适用性。(3)建立了考虑深部岩体三维强度和剪胀特性的非关联塑性流动法则及三维弹塑性数值计算方法,其正确性和可靠度得到了半解析解、模型试验和现场变形监测数据的验证。(4)提出了基于光滑GZZ强度准则的深埋圆形隧洞弹塑性半解析方法,揭示了深埋隧道轴向应力在塑性区的一致性软化规律,探讨了岩体质量、剪胀角、初始轴向应力、本构规律和强度准则对深埋隧道围岩稳定分析结果的影响。(5)提出了基于数字化原位测试的深埋岩体隧道三维正分析方法,克服了反分析方法和变形控制在深部岩体工程智能建造和动态设计中的局限性。(6)初步建立了深埋隧道应力控制的理论框架和设计分析方法,揭示了深埋隧道开挖面三维挤出变形规律和应力主轴旋转力学机理,阐明了中间主应力和三维应力状态对深埋隧道围岩稳定的力学影响机制,发现了超前核心岩体预挤出与预收敛变形的一致性规律。     

破碎泥质围岩遇水软化时机对台阶工法隧道力学性能影响分析

隧道软岩大变形问题是地下工程界的难题之一,大变形过程中隧道自稳能力急剧降低,变形较难得到控制,施工方法、支护刚度和时机等因素对大变形过程均有较大影响。文章针对破碎泥质围岩在地下水作用下易产生较为明显的强度损失导致隧道产生较大变形的问题,通过数值模拟,采用强度折减法控制围岩软化时机,分析了围岩遇水软化时机对台阶工法隧道位移场、围岩塑性区、二衬主应力及内力的影响,分析成果可为同类破碎泥质岩隧道工程建设提供参考。     

基于改进Hoek-Brown强度准则的深埋圆形硐室弹塑性分析

针对岩体开挖导致应力重分布问题,以深埋轴对称圆形硐室为研究对象,对开挖硐室进行理想弹塑性解析。由于中间主应力也会影响围岩的变形破坏,而传统Mohr-Coulomb和Hoek-Brown求解方法未考虑中间主应力的影响,故在传统Hoek-Brown求解方法的基础上采用Levy-Mises增量型本构关系将中间主应力计入传统Hoek-Brown弹塑性解析式,得到新的弹塑性解析方法,并对该解析方法的可行性和合理性进行验证。给出围岩开始屈服时的原岩应力阈值、塑性区半径、应力分布及位移的解析式,并对工程实践可控参数岩石地质强度指标和扰动参数进行敏感性分析。对于常规工程实例进行理论计算和基于FLAC~(3D)的数值计算,对比分析证明了改进Hoek-Brown弹塑性解析方法的可行性和合理性。研究成果可为地下工程硐室开挖与支护提供一定参考依据。     

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。     

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。     

隧洞支护效应的探讨

基于弹性理论,对隧洞开挖后和进行喷锚支护后的应力和塑性变形进行分析。运用FLAC 3D模拟了隧道开挖与支护过程中的力学行为,得到隧道在无支护和喷锚支护作用下围岩的塑性及应力变形情况。结果表明,在喷锚支护中,对锚杆施加预应力,其值为当隧道塑性区消失时所需支护力的大小。这种支护提高了围岩的自承能力,使围岩塑性区的扩展在隧道开挖不久就得到有效抑制,能有制止隧道围岩的进一步破坏。     

考虑剪胀和软化的巷道围岩弹塑性分析

在应力跌落模型的基础上引进软化阈值,建立了弹塑脆性模型,模拟岩土材料的脆性软化性质。基于Mohr-Coulomb准则,考虑了岩土材料屈服后的塑性软化和体积膨胀,推导了圆形巷道围岩的软化区半径、塑性区半径、洞周位移及围岩内应力表达式,最后通过算例分析了剪胀、软化程度和弹模劣化对破裂区范围的影响,为巷道的稳定分析以及支护设计提供理论依据。     

支护时机对围岩稳定性的影响研究

随着地下洞室的开挖,洞周初始地应力得到释放,围岩发生变形。作者通过采用考虑地应力释放率,建立三维FLAC~(3D)数值模拟模型,以摩尔-库仑强度准则为屈服条件,考虑开挖过程中不同的支护时机对隧洞围岩稳定性的影响,分析比较围岩应力、塑性区、位移及锚杆轴力随地应力释放率的变化规律,以充分发挥围岩和支护的共同承载能力。     

基于广义Lade-Duncan准则的圆柱孔扩张问题分析

以圆孔扩张理论为基础,在弹性区中采用弹性小变形理论,在塑性区中采用大变形理论和非相关联流动准则,假定土体服从广义Lade-Duncan屈服准则,在弹脆塑性软化模型的基础上,分析了考虑大变形、中主应力、剪胀特性以及软化等因素的圆孔扩张理论解答。分析结果认为:考虑大变形特性对应的塑性区半径大于小变形所对应的塑性区半径,并随剪胀参数的增加而增大;与Mohr-Coulomb准则相比,考虑了中主应力的Lade-Duncan准则提高了扩孔压力;软化参数对扩孔压力有一定影响,扩孔压力随残余摩擦角的减小而变小。