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。

非静水压力场中考虑应力释放的圆形隧道黏弹性解

在非静水压力场中考虑应力释放的圆形隧道弹性解基础上,先利用对应性原理求解应力释放率λ为常数时隧道的黏弹性解。然后考虑到施工过程中应力逐步释放,隧道内壁(r=R0)处边界条件随开挖面和研究断面之间距离x变化,距离x取决于掘进速度v和时间t,从而边界条件可以表示为时间t的函数。采用斯蒂尔杰斯积分法将常应力释放率时黏弹性解中的λFi(t)(i=1~11)转换为Fi(t)对应力释放率导数dλ(t)的积分形式,可得非静水压力场中考虑应力释放的圆形隧道黏弹性解。该解在侧压系数k0=1时,可转化为静水压力场中考虑应力释放的黏弹性解;在λ=1时,可以转化为非静水压力场中不考虑应力释放的黏弹性解,所以后2种解均为非静水压力场中考虑引起释放圆形隧道黏弹性解的特例。考虑非静水压力场,求解边界条件能较好地反应工程实际中原岩应力分布;考虑应力释放能够反应隧道掘进过程中围岩应力及变形分布情况。故所提出的黏弹性解能够为隧道设计、施工阶段及长期变形及稳定性预测提供理论依据。

考虑蠕变效应的岩石损伤起始准则

现有的损伤起始准则多为应力的函数,即在应力空间中某一固定的曲面,得到的损伤起始面为介于初始屈服面与最终破坏面之间的固定曲面。基于现有损伤起始准则假定,考虑了蠕变变形的影响,提出了一种岩石损伤起始准则。该准则在应力空间中所形成的损伤起始面随着蠕变变形的增加而收缩。故此,根据该准则,岩石即使在应力水平低于瞬态损伤起始应力的情况下,也会随着时间的增加而达到损伤起始点,从而激活损伤过程直至达到最终的破坏状态。考虑蠕变效应的损伤准则可以很好地解释一些蠕变试验(包括常应变率试验、常加载速率试验和常应力蠕变试验等)结果。损伤起始准则中所包含的材料参数可以通过常规三轴试验和单轴蠕变试验很方便地确定。

锚杆支护作用机理分析及其设计方法的适用性

分析了锚喷支护设计中基于组合拱理论的两种比较流行的设计方法及适用条件,说明了巷道的岩性、断面形状等对于锚喷支护参数的影响。通过实例阐明不同的围岩变形状态,应采用不同的设计理论计算方法来确定锚杆的长度和支护密度。

基于CFD-DEM方法的砂土注浆微观机理研究

砂土注浆过程可认为是粘性流体在多孔固体颗粒介质中的流动、扩散及凝固的过程,该过程涉及到流-固耦合及浆液物理化学性质复杂等特征。文章创新性地通过采用计算流体力学-离散元的耦合方法(CFD-DEM)模拟砂土注浆过程,以DEM模拟砂土颗粒骨架,以CFD模拟浆液,通过描述浆液与土颗粒之间的相互作用,再现了砂土注浆过程中浆液在土颗粒间隙中的填充、扩散规律。通过运用砂土注浆数值试验,分析了注浆速度、浆液粘度、土层孔隙率等因素对压力的影响规律,为阐明砂土注浆机理及宏-细观特性提供理论支撑。

浅埋地铁隧道围岩压力计算方法研究

文章通过对太沙基公式和谢家杰公式局限性的分析,结合浅埋地铁隧道变形、破坏发展规律,提出了一种改进的浅埋地铁隧道围岩压力计算方法,并对该方法与现行计算方法进行了对比分析。结果表明,改进方法计算得到的围岩压力小于谢家杰公式、大于太沙基公式,与工程实际吻合度更好,可为城市地铁浅埋隧道围岩压力估算提供理论参考。

考虑围岩蠕变特性的隧道变形判定方法研究

隧道变形等级判定包含分级指标选择、分级标准确定和指标值预测三部分。文章以圆形隧道粘弹、塑性解为基础,建立了考虑围岩蠕变特性的隧道变形预测方法及其分级标准,并结合兰渝线木寨岭隧道碳质板岩段工程实例,通过和基于弹塑性解的方法进行比较分析,验证了该方法的合理性,为隧道变形的控制措施研究提供理论参考。

考虑围岩蠕变特性的隧道二衬合理支护时机确定方法

通过对考虑隧道围岩蠕变特性的初衬变形的理论公式的分析,利用现场实测数据的拟合公式,确定了围岩的流变参数。结合规范对于隧道二衬支护时间的确定准则,确定各级别围岩中隧道二次衬砌支护的合理时机,并利用已知的流变参数进一步求得不同初衬厚度、开挖跨度时的二衬合理支护时机。给出的流变参数和二衬合理支护时机,可为类似工程参考。

特大跨度连拱隧道施工工序的关键块体理论优化分析

基于概率统计方法以不同的节理采集区域为单位,对特大跨度双向八车道金鸡山连拱隧道中导洞施工中出露的岩体节理进行精细化采集与描述,在此基础上,利用关键块体理论分析隧道正洞施工过程中可能产生的最危险关键块体。对比分析不同开挖与锚喷支护顺序对关键块体安全系数的影响,对隧道施工工序进行优化分析。结果表明:在金鸡山隧道正洞施工过程中,隧道侧壁产生的块体基本能够自稳,而隧道顶部则可能产生体积较大的关键块体;采用双侧壁导坑法施工时,优先开挖支护单个洞室的右侧导坑则能够减小施工过程产生关键块体的数目与体积。研究结果为特大跨度双向八车道金鸡山连拱隧道的安全施工提供指导。

节理岩体中双向八车道小净距隧道施工方案优化分析

结合福州国际机场高速公路2期工程魁岐2号双洞八车道特大断面小净距隧道工程,建立了离散元数值模拟分析模型,针对节理岩体中特大断面小净距隧道施工方案进行了优化分析。分别研究了双侧壁导坑法、CRD法和CD法3种施工方案下隧道拱顶下沉、中间岩柱水平位移、围岩水平位移和围岩塑性区的变化规律。基于研究成果,并结合魁岐2号特大断面小净距隧道现场实际情况,在该隧道进口Ⅴ级围岩段,将双侧壁导坑法变更为CRD法,顺利完成了施工,此施工方案的变更对降低施工成本、加快施工进度、缩短施工工期均起到了较好的作用。研究结果可为类似条件下特大断面小净距隧道的设计、施工提供借鉴与参考。

融化作用下多年冻土隧道围岩的弹塑性解及其与支护的相互作用分析

多年冻土隧道修建中,施工活动产生的热量将导致多年冻土围岩中出现一定范围的融化圈,进而影响支护的受力以及隧道洞室的收敛。将围岩分为融化区和未融化区,将融化区围岩视为弹塑性介质,未融化区围岩视为弹性介质,建立并求解融化作用下多年冻土隧道围岩弹塑性模型,对不同的围岩条件及支护工况下多年冻土段隧道施工中围岩与支护的相互作用进行分析。结果表明,该模型表现了融化作用下多年冻土围岩与支护相互作用的特征;在较差围岩中,喷射混凝土支护的强度是控制融化作用下多年冻土围岩稳定以及隧道周边位移量的关键因素。在多年冻土隧道施工中,可采用本模型确定施工中容许的最大围岩融化深度,施工中应采取有效措施避免围岩中出现过大的融化圈。

隧道埋深对二衬合理支护时机影响分析

目前针对衬砌构筑时机始终是隧道界讨论的热点问题,提出合理的支护时机对于围岩稳定是相当重要的。然而,其中大部分的有关二次衬砌的合理支护时机的研究都将围岩埋深因素忽略,研究针对茶林顶隧道,通过数值计算给出了不同性质围岩中二次衬砌的合理支护时机,深入研究了埋深对于二次衬砌合理支护时机的影响,从而提出了考虑埋深的修正后的二次衬砌合理支护时机的确定方法。本文得出的研究成果在实际工程的应用中取得了良好的应用效果,提出的支护时机确定方法,可资类似的隧道工程借鉴。

考虑曲折效应的粗糙节理渗流计算新公式研究

粗糙节理的隙宽分布不均匀是引起节理渗流出现曲折现象的主要原因。针对节理试件B01和B02,在获得节理的三维表面形貌并计算节理的三维空腔组合形貌后,分别进行室内渗流试验和Reynolds方程下的节理渗流数值模拟,得到节理中的曲折流径分布,在此基础上根据节理三维空腔组合形貌定义定量描述节理渗流曲折效应的平均曲折因子。在考虑节理表面粗糙性的立方定理修正经验公式的基础上,采用分析岩石渗透系数的等效沟槽模型对粗糙节理的渗流进行分析,推导得到考虑曲折效应的节理渗流计算公式,并根据节理试件B01的数值计算结果确定渗流计算公式中的待定常数。然后采用节理试件B02的数值计算结果对渗流计算公式的准确性进行验证,计算结果表明考虑节理渗流曲折效应的渗流计算公式可以较好地反映节理中的渗流情况。在此基础上,将根据本文渗流计算公式得到的节理试件渗流结果与渗流试验实测值及速宝玉经验公式计算结果进行比较,结果表明:考虑曲折效应的节理渗流计算公式渗流结果与实测值一致,而速宝玉经验公式过高地估计了节理的渗流量,进一步验证了节理渗流计算公式的准确性。

考虑接触面积影响的粗糙节理渗流分析

节理中接触面积的存在使得渗流曲折效应更加明显,将对渗流产生显著影响。为了研究节理接触面积对节理渗流的影响,建立节理渗流概念模型,推导得到了节理渗流的接触面积影响系数;然后在节理渗流计算公式中引入该影响系数,得到了考虑接触面积影响的渗流计算公式。同时,由于接触面积的存在使得渗流曲折因子的计算更为复杂,在获得节理隙宽分布的基础上提出了计算节理渗流曲折因子的五点比较法。然后以人工大理岩节理试件为研究对象,在获得其三维表面形貌的基础上,一方面对其进行不同接触状态下5级法向应力作用下的渗流试验;另一方面,在根据节理试件的三维表面形貌数据计算节理的渗流平均曲折因子和接触面积比的基础上,分别采用考虑接触面积影响的渗流计算公式和Zimmerman计算公式对节理试件在不同法向应力作用下的渗流体积流量进行计算,并将计算结果与实测值进行比较。结果表明:考虑接触面积影响的渗流计算公式计算结果与实测值吻合较好,从而验证了考虑接触面积影响的渗流计算公式的正确性,而Zimmerman计算公式高估了节理的渗流流量。

Reynolds控制方程下粗糙节理渗流空腔模型研究

在研究节理的渗流时,渗流控制方程对节理渗流分析结果具有显著影响。首先介绍了节理渗流分析中的控制方程:Navier-Stokes方程、Stokes方程、Reynolds方程和立定定理,并分析了各控制方程在节理渗流分析中的适用性。以Reynolds方程作为渗流分析控制方程,建立了粗糙节理渗流空腔模型。然后以节理试件为研究对象,在实测节理三维表面形貌并计算隙宽分布后,分别进行相同渗流边界条件下的室内渗流试验和空腔模型计算,得到节理在不同接触状态下的渗流量实测值和计算值,并分别将计算结果与立方定理下的空腔模型、将整个节理简化为光滑平行板模型的立方定理以及速宝玉经验公式的计算结果进行比较,结果表明,Reynolds方程下的节理渗流空腔模型计算结果与实测值最为吻合,可以较为准确地反映节理的渗流情况。同时,根据Reynolds方程下空腔模型得到的渗流流量分布可以呈现节理渗流的曲折现象,为从本质上研究节理渗流特性奠定了理论基础。

基于Barton剪胀模型的粗糙节理渗流分析

为研究粗糙节理在剪切过程中的渗流规律,首先,采用Barton剪胀模型分析节理在剪切过程中的剪胀效应,计算节理在不同剪切位移下的剪胀位移,采用Brown-Scholz(B-S)理论模型分析法向应力作用下的节理闭合变形;通过初始隙宽、法向闭合变形和剪胀位移建立剪切过程中的节理隙宽与法向应力和剪切位移之间的关系,在此基础上得到剪切过程中的节理渗流计算公式;然后,在对节理试件进行渗流试验的基础上,分别采用基于Barton剪胀模型的节理渗流计算公式和Barton经验公式计算通过节理试件的理论渗流流量,并将预测结果与实测值进行比较,比较结果表明,基于Barton剪胀模型的节理渗流计算公式的预测结果与实测值较为一致,而Barton经验公式预测值与实测值偏差较大,从而验证了该公式在计算节理剪切过程中的渗流情况的正确性。

广梧高速公路隧道二衬合理支护时机确定方法

文章以广梧高速公路为工程背景,介绍采用以隧道拱顶下沉及周边收敛的收敛速率作为判定标准的经验法,来确定隧道围岩的二衬合理支护时机。通过现场实际监测结果分析,确定了Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩相应的收敛趋于稳定时的掌子面推进时间与距离,为这四种级别围岩的二衬合理支护时机的确定提供依据。

隧道变形预测的灰色与回归模型对比分析

模型预测法是目前常用的隧道围岩变形预测的方法之一。文章结合广梧高速公路茶林顶隧道工程实例,建立GM(1,1)灰色模型、GM(2,1)灰色模型和双曲函数回归模型分别对隧道围岩变形进行预测,并对各模型的预测情况进行对比分析。结果表明,不论是从短期还是从长期看,GM(1,1)灰色模型都体现了优越的模拟和预测效果,且建立预测模型时不需要大量的统计数据,可应用于工程实际。

时空效应下隧道的收敛变形预测及二衬合理支护时机

利用半解析计算方法,考虑了隧道周边收敛和拱顶下沉随时间和掌子面推进距离的变化情况,建立了相关的收敛模型,并由此给出了硬岩及软岩隧道中的二衬的合理支护时机,并结合工程实际对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩进行了周边收敛结果的最小二乘拟合计算。同时得出了这4个级别围岩相应的合理支护时机。

盾构隧道管片环纵向接头抗弯刚度值的不动点迭代确定方法

盾构隧道管片环纵向接头构造复杂,偏压荷载作用下,其变形具有明显的非线性特征,合理的接头抗弯刚度值是运用梁–弹簧模型进行盾构隧道管片环断面设计、计算的前提,而该抗弯刚度值与接头截面处内力组合情况密切相关。针对双衬垫式管片环纵向接头,利用已有简化力学模型,提出一定轴压作用下,接头各变形模式及各模式下的抗弯刚度解析式,并将已有管片接头各工况加载试验的转角实测值与对应变形模式的理论计算值进行对比,验证了其工程设计适用性。根据接头各变形模式下抗弯刚度解析式,结合基于梁–弹簧模型考虑接头刚度差异性的管片环内各纵向接头处截面内力解析式,构造关于管片环内各纵向接头抗弯刚度值的非线性方程组,由数值计算软件Maple编写该接头刚度非线性方程组的不动点迭代求解程序,多次试算最终得到合理的管片环内各纵向接头抗弯刚度值。