考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解

高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷后,断面周边围岩的径向应力急剧降低,围压从围岩深部至隧道洞壁急剧衰减,不同位置岩石的应变软化和剪胀扩容受围压效应的控制。基于三维H-B强度准则建立考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解计算方法,并依托中老铁路新华隧道计算深埋滇中红层软岩隧道的挤压变形,讨论围压效应和中主应力对围岩应力–应变特征、强度软化特征和剪胀扩容特征的影响,探讨围压效应在不同峰值强度、原岩应力和支护反力下的敏感性。研究结果表明：围压效应通过降低岩石的临界塑性偏应变η^*和增大岩石的峰值剪胀扩容系数K_ψ^p,从而加剧围岩的软化和剪胀程度,进而加剧隧道的挤压变形;中主应力会降低围岩的软化程度,加剧围岩的剪胀扩容,但整体上能有效抑制深埋软岩隧道的挤压变形;岩石峰值强度越低、埋深地应力越大时,隧道的挤压变形受围压效应的影响程度越高。因此分析高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷的力学响应时,不能忽视围压效应的影响;支护反力能有效抑制效围压效应对隧道挤压变形的影响,在深埋软岩隧道的施工建设时应及时施作支护结构约束围岩的变形。     

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。     

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。     

深埋圆形水工隧洞弹塑性应力和位移统一解

考虑渗流体积力、中间主应力、主应力顺序、围岩应变软化和剪胀等综合影响,提出深埋圆形水工隧洞弹塑性分析的基本假定。根据假定分别建立施工期和运行期隧洞弹塑性应力和位移统一解,其中运行期又分围岩施工期处于弹性或弹塑性变形两种情况。所得统一解具有广泛的适用性,可退化为众多已有成果。通过工程算例分析,得出围岩与衬砌渗透系数比、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位移的影响规律。研究结果表明:各参数对施工期的影响要大于运行期;围岩与衬砌渗透系数比、黏聚力软化特性参数对施工期和运行期隧洞切向应力和位移影响都很显著;考虑中间主应力的影响,可以更加充分发挥围岩的强度潜能;剪胀特性参数对隧洞位移影响明显。     

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。     

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。     

考虑中间主应力影响时的圆筒形孔扩张问题的弹塑性解

Tresca强度理论、Mohr-Coulomb强度理论在求解圆筒形孔扩张问题时的弹塑性解并没有考虑中间主应力的影响。本文首次考虑中间主应力影响时求解圆筒形孔扩张问题的弹塑性解。计算表明考虑中间主应力时圆筒形孔的塑性区半径有明显减少。据此可以充分发挥岩土体自身的承载能力，对岩土工程有重要意义。     

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σ2作用的加筋土挡墙筋材设计计算

通常加筋土挡墙筋材拉力和锚固区长度的设计计算是基于莫尔-库仑准则得到的，没有考虑中主应力σ2的影响，而双剪强度理论克服了莫尔-库仑准则的不足，并利用双剪强度理论的φ1，Ct参数替代莫尔-库仑抗剪强度指标。基于双剪强度理论（m=1）计算分析了挡墙筋材拉力大小及其锚固区长度，并将该结果与基于莫尔-库仑准则计算的结果进行了对比，结果表明墙高较小时两者结果基本一致，而墙高较大时，双剪强度理论计算结果大于莫尔-库仑准则计算的结果。     

考虑中间主应力效应的隧洞岩石抗力系数的计算

基于统一强度理论导出圆形水工隧洞岩石抗力系数的计算公式。从该公式中不仅可得到以往的一些结果,还可得到一系列新的结果。这些新结果可以定量考虑岩石的中间主应力效应,因而能灵活地应用于各类岩石。     

考虑中主应力的常用破坏准则适用性研究

 针对岩土工程中常用的考虑中主应力效应的5种破坏准则,推导各准则考虑中主应力影响的内摩擦角表达式,建立真三轴应力下内摩擦角与中主应力系数的关系,探讨中主应力的影响规律。与砾石料、密砂和黄土3种材料的真三轴试验结果进行比较,并采用标准差量化方法,探讨各准则对中主应力的反映程度及其适用性。研究结果表明：5种破坏准则均不同程度地反映中主应力效应,Drucker-Prager准则计算拟合效果较差,修正Lade-Duncan准则拟合效果较好,其余3个准则拟合程度相当,对于不同的材料应选用不同的破坏准则。     

主应力轴旋转下(b=0.5)原状软黏土孔压特性

采用浙江大学空心圆柱扭剪仪(ZJU-HCA),对杭州原状软黏土进行固结不排水主应力轴旋转试验,探讨剪应力变化、初始剪应力水平高低及主应力轴正向和逆向旋转对黏土孔隙水压力(简称孔压)发展的影响。试验中保持平均主应力不变,中主应力系数b=0.5。试验结果表明:定向剪切产生的孔压主要受剪应力控制;用双重屈服面理论得到孔压系数,结合孔压线性拟合结果发现,若初始剪应力低于峰值剪应力,体积屈服面函数不受主应力轴旋转影响;若初始剪应力接近峰值剪应力,主应力轴开始旋转时的孔压上升速率相对较高,但后期孔压反而会下降;纯主应力轴旋转过程中的孔压上升速率主要受初始剪应力大小控制。主应力轴正向旋转较逆向旋转产生的孔压小;主应力轴逆向旋转相对正向旋转对整个剪切过程的孔压发展有较大影响。     

变形协调情况下土钉墙内力和位移的计算方法

 土钉墙的内力主要包括土钉轴力、钉土剪力和面层受力,而土钉墙变形的过程是土钉、面层和土体之间相互协调共同作用的过程,传统的计算模型都是从力矩平衡的力学角度出发,不能合理解释土钉内力和变形的相互关系。通过对土钉墙受力和变形机制的分析,利用Mindlin解计算在虚拟开挖应力和钉土剪力共同作用下土体侧向位移,结合钉土剪力和钉土相对位移的线性关系以及钉土剪力在最危险滑动面位置等于0的特点,计算土钉轴力、钉土剪力和土钉墙在开挖面位置的变形。土钉被动区段钉土剪力超出其极限值的部分转移至面层,假定面层受力增量呈三角形分布,根据静力平衡得到面层受力分布。通过与工程实测资料的对比分析,初步验证土钉墙内力和变形计算方法的合理性和可行性。     

低应力条件下海洋粉土的不排水强度特性及其在海底浅层滑坡分析中的应用

 针对浅层滑坡等海底地质灾害,设计并实施一系列的十字板试验和三轴试验,对低应力条件下典型海洋粉土的不排水强度特性进行研究探讨。试验结果显示：固结度对粉土的十字板强度有明显影响,十字板强度随着超孔隙水压力的升高而降低。剪切应变速率对粉土的固结不排水三轴强度影响很小,而超固结比和剪切围压则影响较大;三轴试验中各个试样都能够达到临界状态,临界状态强度随着超固结比和剪切围压的增大而增大。分析波浪作用下海床土剪切滑动的渐进特性,指出临界状态是滑坡发生时滑带土所能达到的最终状态。采用平均有效应力,对十字板强度和三轴临界状态强度进行归一化处理,两种强度显示较好的一致性,得到低应力条件下海洋粉土的临界强度线。最后,应用所得的临界强度线,对风暴潮作用下黄河水下三角洲粉土海床浅层滑坡及“复活”进行很好地分析和解释。