岩质圆形隧洞围岩应力场弹塑性新解

鉴于目前隧洞围岩应力场弹塑性分析多采用Mohr-Coulomb准则分析而未能考虑岩石中间主应力的不足,选取米勒试验中第Ⅱ类岩石材料,以具有完整性围岩结构特征的岩质圆形隧洞为研究对象,应用统一强度理论推导出了岩质圆形隧洞围岩应力和塑性区半径等弹塑性理论新解,已有的修正芬纳公式和卡斯特纳公式是本文解在b=0情况下的退化形式。通过分析获得了一些新的认识和结论,对工程实践具有较好的指导意义。     

考虑脆性损伤和渗流的圆形水工隧洞解析解

针对脆性岩石的损伤特性引入脆性损伤模型,导出三维各向同性损伤情况下的损伤变量表达式。在考虑损伤、不同工况主应力对应关系和渗流作用影响下,推导出圆形水工隧洞洞周围岩的弹塑性应力和塑性半径的解析解。对岩石的脆性特性的研究表明,考虑脆性损伤时的洞周围岩塑性半径比不考虑时有一定程度提升;围岩脆性特征越明显,塑性半径越大。无论洞周围岩应力状态如何,考虑渗流影响后,洞周围岩塑性区范围均会有所扩展。在内水压从0逐渐增加过程中,塑性半径随内水压增加而逐渐减小,直至塑性区消失,在超出临界内压后,塑性区重新出现,塑性半径逐渐增大。     

考虑围岩软化特性和应力释放的圆形隧道黏弹塑性解

将围岩的塑性应变软化特性引入到考虑应力释放的圆形隧道黏弹塑性解中,并且在围岩的软化和残余强度阶段考虑围岩的塑性体积膨胀特性,提出了考虑塑性软化以及塑性体积膨胀和围岩应力释放的圆形隧道弹塑性解。当软化系数k = ∞、膨胀系数h = s时,该解转化为黏弹-脆塑性解;当k = 0、h = s时,则转化为黏弹-理想塑性解,进一步令h = s = 1,则转化为不考虑塑性体积膨胀的黏弹-理想塑性解。通过具体实例计算,分析了掌子面与研究断面间距x、围岩的软化系数k、膨胀系数h和s、支护结构等对围岩塑性区、破碎区半径和变形的影响。当开挖面与研究断面间距x在(0~4)D（D为隧道直径）范围内,随着时间增加塑性圈和破碎区迅速增大;超过4D,塑性区和破碎区半径增量逐渐变小,趋于稳定值;围岩中包含塑性区和破碎区时,二者半径的比值只取决于围岩的性质,与支护结构无关,但支护结构可以限制塑性区及破碎区的范围;考虑应变软化和塑性体积膨胀时,围岩径向位移和塑性区及破碎区半径均大于不考虑应变软化和塑性体积膨胀时的结果;软化系数k增大,围岩位移、塑性区和破碎区半径增加、塑性区半径和破碎区半径之间的比值变小。得到的结果对于隧道工程设计和施工具有一定的指导性和参考价值。     

运用Hoek-Brown经验准则分析圆形硐室围岩弹塑性应力和位移

Hoek-Brown经验准则能够较容易地用来估计节理岩体的强度,在岩石工程界已得到广泛的应用和认可。只要用定量指标合理地描述岩体质量,就可确定岩体的强度,因此Hoek-Brown经验准则为通过岩体质量评分评价岩体稳定性架起了一座桥梁,并对需要采取的加固支护措施提出建议。地下硐室开挖后改变了岩体的初始应力状态,围岩应力产生应力重分布现象。当硐室周边围岩应力状态超过岩体弹性极限状态而进入塑性状态时,塑性区内岩体的应力满足极限平衡条件。本文简单回顾了当侧压力系数为1时,圆形硐室围岩的弹性应力和位移,在此基础上以Hoek-Brown经验准则为极限平衡条件,得到圆形硐室轴对称平面应变问题的围岩弹塑性应力和位移的分析解。     

弹塑性软化模型下隧洞围岩变形与支护压力分析

为深入探究岩体非线性软化应变特性对隧洞围岩力学行为的影响,提出了一种考虑软化系数的岩体弹塑性软化模型,并推导了圆形隧洞围岩应力-应变的求解方法。然后,通过将本文方法与Brown方法、换算后的Mohr-Coulomb屈服准则方法进行对比,验证了本文方法的合理性。最后,探究了软化系数对围岩变形及支护压力影响规律。结果表明：软化系数较大时,采用弹塑性软化模型与弹脆塑性模型算得结果基本相同;对围岩变形及稳定性起主要控制作用的是松动区域范围;控制塑性区域出现时的临界支护压力在数值上与弹塑性区域交界处径向应力是相等的。     

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。     

正交各向异性岩体中非圆形水工隧洞的解析解

将围岩和衬砌分别视作均质、连续的线弹性正交各向异性和各向同性体,并充分考虑衬砌的支护滞后效应和隧洞运行时的内水压力作用,运用复变函数方法中的幂级数解法,提出了正交各向异性岩体中任意形状水工隧洞的力学解析方法。以直墙半圆拱形水工隧洞为例,所获得的解析解可精确满足衬砌内边界的应力边界条件以及围岩与衬砌接触面的应力、位移连续条件,同时还将解析结果与ANSYS数值结果对比分析,吻合良好。利用获得的解析解,讨论了围岩开挖面上不同的各向异性程度、不同的弹性对称面角度以及隧洞内不同的水压荷载对衬砌以及围岩上应力和位移分布的影响。     

考虑岩体峰后非线性软化的衬砌压力隧洞应力解

采用弹性－塑性非线性软化―裂缝区三阶段围岩模型,根据全量理论将真实岩体单轴应变非线性软化特征推广,得到复杂应力状态下岩体等效应力和等效应变关系,在此基础上对衬砌压力隧洞在等压荷载作用下进行弹塑性分析。推导出了围岩裂缝区、塑性软化区、弹性区和衬砌内任一点的应力与位移的解析计算式,得到了衬砌边缘岩体开始产生塑性变形的临界内压力。该解析式具有广泛的适用性,基于理想塑性介质的解答如Kastner解和完全脆性介质的解答均为特例。     

竖向圆形荷载作用下弹性地基半空间问题的解析解

竖向圆形荷载作用下弹性半空间问题的位移和应力解是桩基分析的基础。利用Hankel积分变换,首先导出了弹性地基半空间位移与应力的积分形式的通解。通过适当地引入边界条件和界面位移和应力的连续条件,求得了内部作用竖向圆形荷载时弹性地基半空间位移与应力的积分形式解。在此基础上,给出了不同深度处荷载作用投影范围内竖向位移和竖向正应力的平均值。数值结果验证了解析解的正确性。     

水工隧洞围岩裂纹扩展的临界水压解析解

通过把断裂力学扩展判据引入水工隧洞解析解中,使宏观的水工隧洞受力分析与细观的围岩裂纹扩展研究相结合;将隧洞围岩裂纹分为拉剪型裂纹和压剪型裂纹,并针对不同类型裂纹的开展机制,分别推导了水工隧洞围岩拉剪型和压剪型裂纹扩展时的临界内水压力表达式。在此基础上,分析了裂纹的走向、长度、埋深等参数对临界水压的影响规律。算例显示,在高内水压力作用下,或者由于地应力释放的影响,裂纹既可能发生拉剪型扩展,也可能发生压剪型扩展,但后者发生的几率更大。在内水压力控制工况下,当裂纹走向垂直于洞壁法线方向时最不容易发生扩展;裂纹长度越长,埋深越浅,围岩孔隙水的作用面积越大,裂纹发生扩展的可能性越大。     

考虑剪胀效应的深埋圆形隧道围岩应变软化弹塑性解

隧道围岩非线性体积膨胀影响施工安全,如何正确评价隧道围岩塑性区域内扩容机制非常重要。多数研究从理论上推导深埋圆形隧洞应变软化围岩应力-应变场时仅采用恒定或线性变化剪胀模型,针对此不足,提出了一种基于有限差分法的分析方法,能够合理地考虑围岩非线性剪胀效应及其应变软化特性。利用已有的研究成果,验证了该方法的合理性,并进一步探讨了不同质量石灰岩与支护压力下剪胀系数在围岩塑性区域内的影响因素,比较了恒定与非线性变化剪胀模型下围岩变形的不同。结果表明:对于地质强度指标(GSI)较小、质量较差的岩体,塑性区域内主要由围压控制剪胀效应程度;恒定与非线性变化剪胀模型下围岩洞壁变形差别显著。     

深埋隧洞卸荷过程中围岩应力变形的时间效应

深埋圆形隧洞围岩的应力应变状态是深地下工程设计的重要参考依据。针对岩体内部的缺陷引起的应力集中和松弛,建立了局部附加应力与缺陷尺度和卸载时间之间的联系,得到圆形隧洞在卸载时围岩破坏前遵循的一系列方程,进而推导出围岩变形的解析积分表达式。将围岩应力应变的时间效应分为卸载阶段和应力松弛阶段,通过逐步逼近法分别求解了围岩的应力和变形的近似解析表达式。该近似解析式考虑了岩体内部缺陷处应力集中的影响和卸载的时间效应,可用来考察不同半径处缺陷应力集中和卸载快慢对应力变形状态的影响。计算表明,围岩内部在卸载过程中和卸载完成后均存在局部附加拉应力集中,围岩变形在卸载完成后仍会进一步增加。     

考虑渗流和剪胀的圆形巷道围岩广义SMP准则解

本文基于广义SMP准则,综合考虑中间主应力、孔隙水压力和围岩的剪胀特性,建立了巷道围岩的理想弹塑性模型。根据弹塑性理论,推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解。结合具体算例对SMP准则计算得到的围岩应力分布和塑性区半径与Mohr-Coulomb（M-C）准则进行了对比,并对孔隙水压力和围岩剪胀角等影响因素进行了分析。研究结果表明：SMP准则计算得到的塑性区半径小于M-C准则,说明M-C准则相较于SMP准则更为保守;孔隙水压力对巷道围岩的位移场具有很大的影响,表现为孔隙水压力越大,巷道洞壁附近围岩位移量越大,且围岩塑性区半径和弹塑性交界面处的峰值切向应力与孔隙水压力成正比;采用相关联流动法则会低估围岩的强度,不考虑剪胀则会低估围岩的实际变形。     

锚杆支护圆形隧洞的等效强度参数及可靠性分析

通过采用均匀化方法,研究了圆形隧洞的锚杆支护特性,将高密度支护模式下的岩石和锚杆复合体考虑成均匀、连续、强度参数增强的等效材料,简化了岩石和锚杆间复杂的力学耦合问题。通过定义锚杆密度参数来反映不同支护模式的特性,建立锚杆密度参数与Mohr-Coulomb屈服准则中主要参数之间的关系,推导出等效弹性模量、等效黏聚力和等效内摩擦角的表达式,并分析比较了隧洞在支护前后的位移情况。结合可靠性理论,采用容许极限位移量作为失稳判据,分析了隧洞在支护前后的可靠性指标与破坏概率,结果表明,文中提出的方法简单可靠,锚杆支护对隧洞的位移限制效果明显,可显著提高隧洞的可靠性。     

列车振动荷载作用下某岩质边坡应力应变动力响应分析

以某高速铁路隧道进口边坡为研究对象,采用FLAC3D软件分析了列车振动荷载对该边坡岩体的应力、变形及稳定性的影响。数值模拟结果显示,在列车振动荷载作用下,隧道两侧及底部最大、最小主应力均产生集中现象,最大主应力较自重应力场下增加1～2MPa,最小主应力较自重应力场下增加0.5～1MPa;隧道顶部最大、最小主应力均与自重应力场下基本一致;隧道进口边坡总位移增量最大值区域主要分布在边坡顶部及隧道正上方坡顶区域,自坡顶往坡底总位移增量逐渐减小,最大总位移增量约为2.15cm;列车振动荷载将在边坡内地层分界面附近、软弱夹层内、构造结构面附近、开挖面附近形成剪应变增量带,对边坡的稳定性极为不利。     

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。