热-水-力共同作用下圆形洞室弹塑性解析解

基于已有的工作和Mohr-Coulomb屈服准则,建立了热-水-力三场共同作用下的圆形洞室弹塑性解析解,并分别在单力场、热-力场、水-力场、热-水-力场以及改变介质强度参数的条件下计算和比较了围岩中的应力分布、变化及塑性区范围。结果显示,温度场使得塑性区半径有所减小,但总的来看温度作用不明显;与仅有力作用时相比,孔隙水压力使得塑性区半径、径向应力和切向应力有较大幅度增长。     

基于损伤模型的圆形洞室矿震分析

采用应变损伤模型对圆形洞室矿震的发生进行了解析分析,得到了发生矿震的洞室临界塑性区深度和临界作用力,得出损伤内变量k0,kc是决定圆形洞室矿震发生的重要参数.     

非圆形地下洞室地层特征曲线近似构建法

弹塑性地层特征曲线完整地描述了围岩对开挖的响应特征,是地下洞室稳定性分析及支护设计的关键,但目前仅圆形洞室具有完整的地层特征曲线解析形式,非圆形洞室需要通过复杂的数值方法拟合。为提高非圆形洞室计算效率,拓展解析法的适用范围,文中基于等代圆理论探讨了非圆形洞室近似解析地层特征曲线的构建方法。首先,利用数值分析,得到地下工程中常见非圆形断面在不同跨高比条件下,洞室周边围岩压力与变形的关系,建立基于数值分析结果的地层特征曲线;然后,基于和数值分析相同的初始条件,建立各种等代圆方法对应的近似地层特征曲线;最后,通过对比及相关影响因素分析,揭示不同工况下各种等代圆方法的适用性,为构建非圆形断面地下洞室地层特征曲线的最佳近似解析形式提供了一条简便有效的途径。     

基于滑动测微计的高地应力洞室围岩变形研究

基于工程地质调查及滑动测微计监测成果,从空间连续角度（围岩应变）讨论了圆筒形洞室穹顶、长廊型洞室群中隔墙岩柱在下挖阶段的围岩变形特征;分析圆筒形洞室顶板变形空间分异性和演化规律;揭示了洞室群中隔墙岩柱的松弛圈范围及演化特征。研究表明：（1）结构面对圆筒形洞室穹顶围岩变形量级影响很小（5 mm以内）,穹顶结构面区段与Ⅲ级围岩变形规律类似,围岩变形主要发生在掌子面近接施工期,且影响范围局限于正穹顶;（2）滑动测微孔内空气与洞室大气联通,测值具有周期变化规律;（3）长廊型洞室中隔墙岩柱松弛圈范围与应力集中程度影响成正比,应力集中区松弛区深度约为开挖高度的1/3;松弛圈的发展主要发生在下挖阶段,洞室成型后,基本无扩展。研究成果可供高地应力深埋洞室的支护结构优化和稳定性评价参考。     

深部三维圆形洞室岩爆过程的模拟试验

为了模拟深部圆形洞室三维受力情况下岩爆的发生过程,以具有极强岩爆倾向性的花岗岩作为试验材料,利用自行研制的TRW?3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机,对含直径50 mm贯穿圆形孔洞的100 mm×100 mm×100 mm立方体花岗岩试样进行了三向不等压加载试验。试验首先模拟1 000 m深度的初始应力环境,以垂直于洞室轴向的水平方向作为最小主应力方向,通过增加竖直方向应力模拟应力调整过程诱发岩爆情况,并借助三维加载岩样内部结构破坏实时视频监控系统监控洞壁破坏情况。试验结果表明,岩爆过程可以划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片剥落和爆裂阶段,洞壁两侧中间部位应力集中系数最高,最先产生破坏,然后沿径向向深部发展,最终形成两个对称型的V型槽。圆形洞室洞壁两侧破坏的3个典型受力节点,符合深部工程中统计得到的无支护圆形巷道的远场应力状态与破坏模式之间的关系,达到了模拟的效果。利用现有的4种岩爆判据进行了分析,判别结果与试验过程中拍摄到的洞壁破坏情况基本一致。洞壁的破坏伴随着声发射计数增加和能量升高,岩爆越剧烈,声发射越活跃。     

滑移线场理论中非特征线应力边界条件的解析式

给出了岩土材料滑移线场理论中非特征线应力边界条件的解析表达式，根据它，应用滑移线场的基本理论和应力特征线的基本性质，可以方便地构造滑移线网。     

内压对管状双椭圆洞室围岩应力影响的解析解

以管状双椭圆高水压洞室围岩应力为研究对象,将该问题简化为混合边界的双椭圆孔平面应力计算模型。基于平面弹性复变理论,通过保角映射、Cauchy积分及留数定理等方法,求解了具有单椭圆内压孔的两个平面应力复势函数;采用Schwarz交替算法,推导了具有双椭圆内压孔无限平面内任一点的应力分量表达式。据所得表达式,编制了Matlab计算程序,研究了无限平面含双洞室或双椭圆洞室的4个算例,分析了内压及两孔相对位置对围岩应力的影响。研究结果表明:两洞室均无内压时,水平对称双椭圆洞室的左孔口0°(或右孔口180°)处有最大切向应力;各孔口的最大或最小切向应力均随内压的增大而减小;当两孔中仅一孔含内压时,两孔孔口应力随内压的增大而或增或减,具体视孔壁位置而定。     

静水压力下内摩擦角对圆形洞室围岩局部破裂影响的连续-非连续模拟

为了更准确地模拟岩石由连续向非连续转化,降低网格依赖性,在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合的连续-非连续方法的基础上,发展了一种内部开裂方法。模型被离散成精度较高的四边形单元,在开裂后,裂缝可沿四边形单元对角线和单元边界扩展。模拟了巴西圆盘岩样、单轴压缩岩样和静水压力下洞室围岩的变形-开裂过程。结果表明:对于巴西圆盘岩样,拉裂缝由圆盘中心向上下加载板扩展,直至贯穿岩样,拉裂缝较为平滑;对于单轴压缩岩样,剪裂缝较为平直,贯穿岩样的主剪裂缝方向与摩尔-库仑剪切面方向较为一致。由静水压力和内摩擦角对洞室围岩变形-开裂过程的影响规律可以发现:静水压力下,V形坑形成于洞室表面附近;剪裂缝向围岩内部扩展,形成狭长剪裂缝,其分布类似于剪切滑移线。静水压力越大,剪裂缝的范围越大。内摩擦角越大,剪裂缝的范围越小,狭长剪裂缝的扩展方向与环向的夹角越小。由天生桥二级水电站某洞室围岩的模拟可以发现,围岩呈现4个V形坑,这与现场观测结果基本吻合。     

软土地层浅埋圆形隧道非达西渗流场解析研究

软土在低水力坡降下的渗流会偏离达西定律,即为非达西渗流模式。假设孔隙水渗透服从指数渗流模式,采用镜像法原理推导了浅埋单孔和双孔圆形隧道非达西渗流场的解析解。结合算例,对浅埋圆形隧道非达西渗流解析解与达西渗流解析解进行了对比分析与验证,并对非达西渗流指数、隧道周围土体与衬砌渗流系数比值对隧道渗流场的影响进行了讨论。结果表明：非达西渗流指数、渗流系数比值对隧道渗流量和周围土体孔压均有较大的影响;随着渗流指数逐渐增大,土体内水头损失加快,隧道周围土体孔压及渗流量逐渐减小;随着土体与衬砌渗流系数比值逐渐增大,衬砌排水能力增强,隧道渗流量逐渐增大,隧道周围土体孔压减小更大。     

Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的散射

基于Biot的两相介质理论,采用间接边界积分方程法,求解了Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的二维散射问题,分析了入射波频率、孔隙率、边界渗透条件和洞室埋深等参数对地表位移幅值、洞室表面和地表孔隙水压力的影响。研究结果表明,由于圆形洞室的存在,饱和半空间地表位移幅值和地表孔隙水压被明显放大:在透水条件下,水平和竖向位移最大值分别比自由场放大了10.1倍和11.2倍;在不透水条件下,水平和竖向位移最大值分别比自由场放大了12.0倍和9.6倍,地表孔隙水压力放大了2.1~3.0倍。地表位移和孔隙水压力最大值均出现在入射波近端洞室边界附近。随着Rayleigh波入射频率的增大和洞室埋深的增加,地表位移幅值的放大作用有所减小。在相同孔隙率条件下,当入射频率为1.0时,洞室表面孔隙水压力最大;当入射频率为2.0时,洞室表面孔隙水压力最小,洞室表面最大孔隙水压力出现在洞室顶部。     

An elastoplastic evaluation of the stress state around cylindrical openings based on a closed multiaxial yield surface

There are many applications encountered in geo‐engineering where there is a need to evaluate the stress state around circular openings. This paper presents a new analytical solution for evaluating the stresses around a cylindrical excavation in an elastoplastic medium defined by the closed MSDP_u yield surface. The proposed formulation takes into account the 3D stress geometry with a plasticity criterion that intersects the mean stress axis on the positive (compressive) and negative (tensile) sides. The results shown here illustrate how the stress distribution and yielding zone size are affected by various influence factors. Validation of the proposed formulation is made by comparing calculated results with existing analytical solutions and a numerical simulation. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

节理岩体圆形隧道滑动区的研究

对于连续介质问题,可以利用Mohr-Coulomb准则很好地解决圆形隧道滑动区问题.但是对于节理岩体问题要复杂得多.由于节理岩体具有复杂的力学特性,因此节理岩体圆形隧道滑动区的确定问题一直都没有很好地解决.节理岩体的力学特性可以很好地用考虑了中间主应力影响的非线性统一强度准则来表达.根据非线性统一强度准则确定了即时摩擦角,进而获得了节理岩体圆形隧道滑动区和支护应力的封闭形式的理论解,并给出了算例.     

基于西原模型的圆形隧道黏弹-黏塑性解析解

基于西原模型,假设黏塑性体的偏应变张量的一阶导数与瞬态偏应力张量和稳态偏应力张量之差成正比,得到围岩黏塑性区的本构方程。采用拉普拉斯变换与逆变换,推导了圆形隧道黏弹-黏塑性解析解。当 时,该解退化成线弹性本构模型的解答;当 时,该解退化成理想弹塑性本构模型的解答。通过工程实例,分析了围岩位移场、应力场和黏塑性区半径随时间的变化规律。当支护力保持不变时,围岩不同位置位移、围岩黏塑性区半径将随时间增长而持续增大并趋于稳定;围岩黏弹-黏塑性特征对径向应力和黏弹性区切向应力影响较小,对黏塑性区切向应力影响较大,越靠近洞壁处,切向应力随时间变化越剧烈。此外,不同支护力作用下洞壁处的切向应力在支护初期均较大,因此应采用及时支护的策略;考虑到围岩黏弹-黏塑性特征对支护力的影响,建议采取让压支护技术以保证围岩和衬砌的稳定性。     

考虑渗透力和原始Hoek-Brown屈服准则时圆形洞室解析解

采用原始Hoek-Brown非线性屈服准则,推导了渗透力作用下圆形洞室弹塑性解析表达式。根据解析公式,绘制了渗透力作用下基于原始Hoek-Brown屈服准则的围岩特性曲线、塑性区半径与洞壁支护力关系曲线、塑性区半径与围岩自重应力关系曲线,并与基于Mohr-Coulomb屈服准则以及不考虑渗透力的图形进行了对比研究,研究表明：应用原始Hoek-Brown屈服准则求出的洞室径向位移和塑性区半径都大于应用Mohr-Coulomb屈服准则求出的结果;在围岩情况较好的条件下基于原始Hoek-Brown屈服准则计算的塑性区半径远大于基于Mohr-Coulomb屈服准则算出的值;渗流效应对地下洞室的塑性区半径和洞壁径向位移的影响十分显著。     

基于Levy-Mises本构关系及D-P屈服准则的轴对称圆巷理想弹塑性解

如何判断巷道开挖后在无支护反力条件下的围岩弹塑性变形及围岩应力重新分布的力学行为一直是人们研究的重点问题。卡斯特纳方程(Kastner equation)的求解存在以下不足和缺陷：(1) 对支护反力的力学处理存在缺陷,不具有工程实际意义;(2) 塑性区应力求解,没有使用到假设的理想弹塑性材料的塑性本构关系;(3) 塑性区应力求解,没有考虑沿巷道轴向方向的应力的影响。基于增量型本构关系即Levy-Mises关系及D-P屈服准则,对轴对称圆巷进行了理想弹塑性条件的求解。公式计算结果与卡斯特纳方程计算结果和数值模拟计算结果分别进行了对比分析。由于该求解弥补了卡斯特纳方程求解中忽略的3个问题,因此,其结果更具有理论意义和实践价值。     

圆弧滑动有限元土坡稳定分析

提出一种基于有限元应力变形计算的边坡稳定分析方法,仍假定滑动面形状为圆弧形,有限元网格由一组同心圆作为纬线,一组竖向线为经线构成。对两相邻圆弧线所夹的弧形带分析滑动力和抗滑力,建立平衡方程,确定安全系数,其中小值安全系数对应的弧形带为可能的滑动带。变化圆心位置用优选方法寻找最小安全系数对应的圆心,从而得出真正的滑动面。算例分析表明,该方法计算所得安全系数与Bishop法接近,是合理的,其突出优点是由有限元计算直接得出滑面上的应力,而不须作近似的插值处理,因而应力更准确。该方法可以考虑土的非线性变形特性,也更符合土的实际情况。此外,用有限元计算得出位移,亦可将稳定分析和变形联系起来,为现场通过位移监测来估计边坡的稳定性提供了可能性,同时也为膨胀土边坡的稳定分析中考虑膨胀性的影响提供了可能性。     

基于数值应力场的边坡临界滑动场

数值分析方法（有限元、有限差分等）可计算边坡应力、变形和破坏,但直接计算边坡安全系数比较困难;而极限平衡法需对边坡体内力作出假设,计算精度受到限制。利用数值分析方法计算得到的应力场,重新定义推力最大原理中推力的含义,将常规边坡临界滑动场数值模拟方法作进一步的改进,提出基于数值应力场的边坡临界滑动场方法。该方法可充分发挥两大方法的优势,能够准确、方便地搜索出边坡临界滑动面位置,并给出更合理的边坡安全系数。通过两个算例的稳定性分析,并与其他方法进行比较,验证了该方法的准确性和合理性。     

Study on laterally loaded piles with rectangular and circular cross sections

The conventional approach in the design of laterally loaded piles with rectangular cross section involves the simplification of converting the rectangular cross section of the pile to an equivalent circular cross section. An analysis to determine the response of laterally loaded rectangular or circular piles in elastic soil is presented in which this simplification is not required. The analysis is based on the solution of differential equations governing the displacements of the pile–soil system derived using energy principles. The pile geometry and the elastic constants of the soil and pile are the input parameters to the analysis. Using this analysis, comparisons are made between the response of rectangular and circular piles in elastic soil. Based on the proposed solution scheme, a user-friendly spreadsheet program (LATPAXL) was developed that can be used to perform the analysis. In addition, simple equations obtained by regression analysis of the pile head deflection and bending moment profiles are proposed. Examples illustrate the use of the analysis.