考虑应变软化特性的隧道围岩位移与塑性区半径解析解计算

为探究富水软岩隧道开挖后围岩位移与塑性区半径的变化情况,依托渭武高速木寨岭公路隧道,基于“直-曲-直”围岩软化模型推导出卡斯特耐尔拓展公式;运用有限差分软件FLAC3D建立了不同含水率下三台阶七步开挖法施工木寨岭隧道的数值模型;采用拓展的卡斯特耐尔公式和经典卡斯特耐尔公式以及数值模拟对围岩位移和塑性区半径进行对比分析。研究结果表明:随着含水率升高,围岩的强度降低,塑性区半径和位移也增大;采用本拓展公式计算Ⅴ级围岩段的塑性区位移和半径分别为52.5 cm和19.47 m,与相同含水率下数值模拟所得的结果56 cm和22 m更为接近。

超大埋深高地应力软岩隧道衬砌设计研究

围岩初始地应力场是隧道工程稳定与支护结构设计所需要的基本因素之一,在超大埋深高地应力软岩隧道衬砌设计过程中,如何合理确定围岩压力并进行衬砌针对性设计参数是工程师关注的重要问题。以某铁路超大埋深高地应力软岩隧道为研究对象,从理论推导和数值模拟两个方面出发对围岩压力进行研究,即基于卡斯特耐尔拓展公式理论推导确定围岩压力和基于ANSYS有限元分析软件进行三维地应力场模拟,研究了不同地应力水平和预留变形量组合下的围岩压力,并对三维地应力场模拟结果进行分析探讨;通过上述方法确定围岩压力后,建立有限元分析模型对高地应力软岩隧道衬砌参数(以Ⅳ级围岩为例)进行设计,检算衬砌参数可靠性并形成成果,可以为类似工程提供参考。

关于圆形隧道卡斯特纳公式的讨论

隧道围岩的应力及变形是隧道力学中的基本问题,它直接影响到隧道的安全评价及施工支护措施。20世纪50年代提出的卡斯特纳公式,描述了圆形隧道的塑性区半径和塑性区的应力分布规律,公式已成为隧道力学分析的理论基础。以满足莫尔库伦准则或Mises准则的理想弹塑性材料为例,按照塑性力学加卸载准则,证明了圆形隧道的开挖过程是加载过程,支护过程是卸载过程;对圆形隧道开挖和支护过程进行了弹塑性FLAC有限差分数值计算,同时针对外压和地应力均为0、内压值为支护应力的隧道进行弹性分析。结果表明,围岩的应力分布在开挖后与卡氏公式相符,但在支护后则与卡氏公式不符。弹塑性分析中,支护引起的围岩应力增量及位移增量分别与弹性分析中的应力和位移相同。因此在涉及塑性变形的隧道力学分析中,卡氏公式只适用于开挖阶段,不适用于支护阶段。

应用和改造卡斯特纳公式求取家竹箐隧道塑性半径

本文叙述了家竹箐隧道不用折扣取值而用数解法通过卡斯特纳公式求解塑性区半径的方法。这要求在公式中除了应恰当地采用因随开挖面积不同而形成的形常数即开挖圆半径之外 ,还应特别计及开挖时人为的支护抗力。此二者都是通过家竹箐隧道施工实践而总结出来的宝贵经验。