地下工程围岩衬砌多介质弹模识别方法

根据地下工程测量的位移，利用Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ－Ｍａｔｑｕａｒｄｔ优化方法，提出了地下工程分区弹模反分析方法，实现了包括围岩和衬砌在内的多介质弹模识别。重点介绍该法的实现原理及有关计算技术。并以算例说明该法的有效性和正确性。

考虑渗流效应的衬砌隧洞围岩弹塑性分析

为探明孔隙水对施工期水工隧洞稳定性的影响,基于弹塑性理论,采用Mogi-Coulomb强度准则,以衬砌-围岩弹塑性区为研究对象,推导圆形隧洞不同工况时围岩-衬砌结构应力、隧洞洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某水工隧洞工程展开计算分析,得到渗流效应、衬砌渗透系数和衬砌厚度对围岩-衬砌结构稳定性的影响规律。得出以下结论:1)渗流作用会极大改变衬砌和围岩的应力分布,减小衬砌对围岩的支反力会使隧洞稳定性变差;2)降低衬砌渗透系数会增大衬砌-围岩交界面渗透水压力,减小支反力会使围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大;3)增加衬砌厚度会改变渗流场分布,弱化增加衬砌厚度提供的支护增幅效果,这在开始阶段能明显限制围岩塑性区发育,但后续效果不佳。

考虑渗流影响的深埋隧道围岩-衬砌相互作用研究

山岭地区深埋隧道经常处于高水压工况,渗流对于隧道围岩及衬砌结构安全有较大影响。基于Mohr-Coulomb准则,推导在渗流力作用下围岩和衬砌结构相互作用的弹塑性解析解,得到围岩塑性区半径、围岩应力、位移以及衬砌径向变形等与支护反力间的解析关系。进一步地,引入围岩收敛曲线(GRC)和支护特性曲线(SCC),分析隧道围岩和衬砌的非线性力学特性,采用收敛约束法求得洞周径向位移。依托牛和岭隧道深埋段工程,验证本文基于Mohr-Coulomb准则的理论解析方法的准确性,并针对富水山区隧道支护反力、塑性半径和洞周径向位移关系进行参数分析。研究结果表明:1)增加支护反力可以有效地限制塑性区的发展和洞周的径向位移,初始阶段限制效果明显,后续增加支护反力的效果逐渐减小;2)围岩塑性半径和洞周径向位移随渗流水压力的增大呈非线性增长;3)塑性区半径不变,低渗透性衬砌可以减小所需的支护反力以及洞周的径向位移。

板裂介质围岩中的隧道衬砌与围岩相互作用机理研究

溃屈破坏和倾倒变形是板裂介质围岩所特有的两种破坏形式,是结构失稳的表现。本文对板裂介质围岩中的隧道衬砌与围岩相互作用机理进行研究,并结合工程实例进行验证。其研究成果可为板裂介质围岩中隧道的衬砌设计提供技术指导。

基于有限元-时域分段自适应算法的围岩衬砌耦合渐进分析

以开挖时间、一衬时间、二衬时间划分时间区段,考虑围岩与衬砌为弹性/粘弹性介质,将围岩的"位移/应力释放不完全"、开挖等影响模拟为载荷的渐进释放,提出一个有限元-时域分段自适应算法,求解围岩衬砌耦合问题,并通过数值算例对算法进行了验证.所提方法给出了各时间区段的关联条件;可更准确描述各变量随时间的变化;同时将原时空耦合问题转化为一系列空间问题,并利用有限元方法递推求解;当步长变化时可通过自适应计算保证稳定的计算精度.此外,还建立了一个载荷渐进参数的反问题数值求解模型,并给出了相关算例.

基于弹性地基梁理论的跨活断层隧道围岩-衬砌体系破坏机制研究

随着我国西部高烈度地区的隧道工程建设的持续深入发展,长大隧道将不可避免地穿越复杂不良地质区域,接近或跨越活动断裂带,面临严重的错断威胁。将温克尔弹性地基梁理论引入跨活断层隧道抗错断问题的研究中,从几何学和理论力学等角度,将隧道简化为作用在地层上的弹性地基梁;采用法向弹簧与切向弹簧模拟地层与结构的相互作用,并利用有限元数值模拟手段,建立跨活断层隧道围岩-衬砌体系数值模型。基于数值模型,探索了断层错动条件下围岩-衬砌体系位移变化规律,研究了跨断层隧道力学响应特征,同时,深入分析了断层破碎带关键参数对围岩-衬砌体系错断响应的影响。研究结果表明:断层两盘错动影响范围主要集中在断层错动面两侧各30 m的范围内;在中心剪切带处,围岩上下两盘位移连续;衬砌在断层上下盘内受到相反的弯矩作用,在断层破碎带内隧道以受压为主,而在远离断层带处主要呈受拉状态。此外,不同的断层倾角、破碎带宽度、岩体质量等级均对围岩-衬砌体系错断响应有一定影响,跨断层隧道穿越活断层的最佳角度为正交;断层破碎带宽度较大的情况易避免衬砌发生应力集中的现象;断层破碎带岩体质量等级越高,隧道受到断层错动作用越显著。该研究成果可为跨断层隧道抗错断设计提供一定的参考与理论支持。

基于均匀设计-响应面-有限元法的软岩隧洞围岩与衬砌结构协同承载可靠性分析

软岩隧洞围岩力学特性和衬砌结构受力皆具有显著的随机性、未确知性等不确定性,基于确定性分析的结构安全设计方法往往难以全面合理地反映软岩隧洞工程的复杂性;传统的可靠度计算理论则对于由围岩和支护系统构成的地下结构真实的功能函数无法从理论上给出显式表达,从而制约了可靠度计算理论在隧洞工程中的应用。在以数理统计方法为核心的可靠度计算理论基础上,结合均匀设计方法、响应面法和有限元数值模拟方法,借助于《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)中衬砌结构的承载力极限状态函数,构建了围岩和衬砌结构协同承载的荷载效应响应面显式表达式,由此提出了一种软岩隧洞围岩和衬砌结构协同承载的可靠性评价方法。采用该方法分析了影响联合承载特性的单因素随机变量,辨识了影响围岩和衬砌结构协同承载可靠性的主要因素,最后将该方法应用到具体工程中进行检验。通过与传统可靠度计算方法进行对比可知,该方法满足了精度,简化了流程,提高了效率,表明其具有很好的适应性和可行性。

复合式衬砌结构中衬砌分担围岩压力比例的研究

复合式衬砌结构中衬砌分担围岩压力的评价方法是隧道工程技术的重要研究课题之一。依托某新建铁路隧道工程,提出了一种基于监测位移反分析评价围岩和支护应力,进而计算初期支护和衬砌背后压力的方法。根据监测位移和衬砌施作时间,确定初期支护的已发生变形和剩余变形。通过有限元反分析求出与已发生变形和剩余变形相对应的围岩和支护应力,得到初期支护和衬砌背后压力。对比初期支护背后压力及衬砌背后压力的现场监测和反分析的计算结果,两者比较一致,说明了该方法的可行性。该新建隧道初期支护闭合95 d后施作衬砌,计算得到衬砌背后压力约0.04~0.06 MPa,衬砌分担围岩压力比例约13%~16%。研究成果对复合式衬砌结构的设计具有一定的参考意义。

乌东德电站导流洞直柱形堵头衬砌与围岩接触研究

大型水电站导流洞封堵永久堵头一般选择在围岩条件相对较好且与大坝防渗帷幕相交的洞段,堵头型式一般采用楔形结构。为了避免二次开挖,达到简化施工、加快进度的目的,乌东德水电站导流洞永久堵头采用直柱形结构型式。这要求准确查明堵头段衬砌混凝土、喷混凝土和围岩的接触情况。为此,选取具备研究条件的5号导流洞开展研究工作,采用钻孔取芯、彩电、声波测试、平面超声横波成像检测及室内试验等手段,查明了堵头段各接触面的接触状况。以测试及试验成果为基础,类比相似工程并结合地质条件,给出了堵头段各接触面的物理力学参数建议值,为堵头设计提供依据。这一研究方法及成果可为其他类似工程提供借鉴。

振动台围岩和衬砌模型相似材料研究现状

模型材料满足相似条件是振动台模型试验的基础。目前研究者都是通过大量的配比试验研制出满足相似条件的模型材料,而大量模型材料的力学试验表明,衬砌模型的结构还需要优化,围岩模拟材料要具有容重大、泊松比基本满足各类结构的要求、抗压强度和弹性模量较低、力学性能稳定、可以重复使用等特点。文章对振动台围岩和衬砌模型相似材料研究现状进行了探析。

基于ANSYS Workbench的抽水蓄能电站调压室围岩与衬砌接触模拟研究

抽水蓄能电站调压室是一种边界条件和受力情况复杂的大型水电站建筑物,尤其是调压室衬砌与围岩的接触模拟更为复杂。本文运用三维有限元计算分析软件ANSYS Workbench对围岩与衬砌接触进行模拟计算,并结合实例对调压室内水工况和外水工况进行对比分析,提出相关结果符合工程实际,可为类似工程结构计算提供参考。

小间距软弱围岩段衬砌变形开裂工程处置措施研究

文章依托雪峰山隧道进口段工程实践,提出了一系列新型工程技术措施,应用于小间距大变形软弱围岩隧道进口段施工。实践表明这些措施有效地解决了隧道施工过程中的围岩稳定及衬砌受力变形超限问题,相关的技术成果可供类似地质条件下的隧道施工参考。

考虑围岩–衬砌切向接触效应的穿越断层隧道结构纵向响应解析解

高烈度地震区断层的存在对工程结构产生严重影响,穿越断层隧道纵向响应有待深入研究。本文采用切向地基弹簧分析围岩–衬砌切向接触效应及隧道结构的轴向变形特征,建立断层错动作用下隧道纵向响应理论模型。首先,隧道被简化成有限长梁,采用切向地基弹簧和法向地基弹簧来体现围岩–衬砌的相互作用,在法向地基弹簧端部施加自由场位移来模拟断层错动,得到隧道结构纵向响应微分方程;通过格林函数法求解获得结构响应解析解;接着采用三维有限差分法对本文解析模型的有效性进行验证。结果表明:围岩–衬砌的切向接触效应对隧道结构的纵向响应存在显著影响,忽略导致得到的结构弯矩峰值误差达到35.33%。最后,探究断层宽度、断层弹性模量和衬砌混凝土等级对隧道纵向响应的影响;随着断层宽度增加,隧道结构内力减小;提高衬砌混凝土等级导致结构内力增大;断层区域围岩弹性模量的增加使得结构的弯矩、剪力减小,轴力增大。研究成果可为穿越断层隧道抗错断设计提供理论依据。

衬砌背后空洞对围岩力学状态影响的试验研究

设计了3组室内相似模型试验,研究了拱顶背后空洞对围岩结构压力分布的影响机制,主要试验结论:衬砌背后空洞使拱顶上部围岩出现了卸载现象,而空洞两侧围岩压力在一定程度呈现压力集中现象;随着施加荷载的增加,空洞高度与范围的逐渐减小反而使得围岩压力集中现象逐渐减弱;衬砌背后空洞对空洞附近围岩接触压力及围岩应力状态产生了较大的影响,空洞的存在改变了围岩与衬砌之间的正常接触作用关系,使围岩结构与衬砌结构处于一种不利的受力状态,降低了围岩整体稳定性。

基于幂强化-理想塑性模型的深埋圆形水工衬砌隧洞弹塑性解

为了求解围岩与衬砌相互作用体系下深埋圆形水工衬砌隧洞的应力和位移,首先假定围岩采用幂强化-理想塑性模型,衬砌采用理想弹性模型,然后考虑渗流影响和主应力顺序,推导了施工期和运行期两种工况下深埋圆形水工衬砌隧洞的弹塑性解,最后探讨了围岩与衬砌渗透系数比、幂强化参数、屈服准则三个参数对塑性区半径、切向应力和位移的影响。研究结果表明:围岩与衬砌渗透系数比对施工期切向应力、施工期和运行期塑性区半径影响非常显著;幂强化参数对施工期、运行期的位移和塑性区半径影响比较显著;不同的屈服准则对施工期、运行期塑性区切向应力和塑性区半径影响比较显著。考虑围岩与衬砌的相互作用更接近于工程实际。

圆形井巷含水围岩的岩体—水力学分析

本文根据深埋圆形井巷含水围岩特有的岩体--水力学作用机理,将水压当作体积力考虑,用粘弹塑性理论导出有关围岩和衬砌的计算公式.由于支护前后水荷载的消长,产生对衬砌有利的附加支护抗力.利用这一时差效应,可获得较大的经济效益.已建工程实践证实本文所建议的方法对解决深埋井巷设计难题有用.

黄土隧道衬砌背后空洞对隧道衬砌结构影响分析

衬砌裂损是隧道病害中常见的问题,也是严重威胁结构安全的一个重要因素。文章针对铁路运营隧道病害的检测结果,对衬砌背后空洞进行平面弹塑性计算分析,得出不同位置、不同大小的空洞以及空洞群对结构各截面受力及位移影响的系统认识,明确提出衬砌结构与围岩结合的不紧密性是恶化衬砌受力条件、造成围岩进一步松动、进而造成衬砌裂损的一个重要原因;还对直墙式及曲墙式衬砌所受到的不同影响进行了比较分析,认为曲墙式衬砌拱部结构能较好地将内力传递给边墙,由边墙部分承受较大的水平抗力,优化了整体结构的受力,从而降低背后空洞对衬砌结构的影响。通过对计算结果的系统分析和研究,合理解释了实际检测中的问题。

注浆、衬砌作用下非线性渗流隧洞弹塑性解

为探求深埋隧洞在非线性渗流条件下围岩-注浆圈-衬砌体系的力学行为,引入Izbash非线性渗流模型,给出了围岩-注浆圈-衬砌体系的水头分布,基于统一强度理论,考虑塑性区可能的分布位置,在注浆、衬砌支护作用下对隧洞位移、应力和塑性区半径进行了理论推导.通过算例将理论解与数值解对比分析,验证了研究方法的可靠性,并进一步探讨了考虑非线性渗流对富水山岭隧洞支护设计的工程意义.研究结果表明:非线性渗流对隧洞弹塑性力学的影响主要体现在围岩水力梯度系数m1;围岩从低速非线性渗流向高速非线性渗流转变过程中,塑性区半径和位移越来越大,围岩应力有所减小;应从隧洞围岩的非线性渗流角度考虑注浆圈、衬砌支护厚度设计.研究成果为非线性渗流隧洞支护设计提供了理论依据.

围岩与衬砌切向接触特性对围岩-支护体系协同承载作用的影响研究

围岩与衬砌之间合理的接触设置是准确模拟隧道开挖过程中围岩-支护体系协同承载作用的重要基础。为了分析切向接触特性对围岩-支护体系承载作用的影响,以齐家庄隧道工程为依托,利用Abaqus软件建立考虑衬砌与围岩切向接触特性的数值模型,模拟分析在不同切向接触刚度下,隧道结构在开挖过程中的位移及受力情况。结果表明:当切向刚度在其有效作用区间内变化会对隧道结构的位移及受力产生较大影响,切向刚度越大,衬砌承担的开挖载荷越大;切向刚度对衬砌的影响与衬砌部位、围岩等级和衬砌厚度有关;两个拱腰之间的收敛位移及拱顶应力受切向刚度影响最大;切向刚度的影响随着围岩等级的增加而降低,随衬砌厚度的增加而降低。

深埋圆形巷道围岩和衬砌相互作用解析解

围岩采用Mohr-Coulomb屈服准则、衬砌采用双线性本构模型,提出广义荷载作用下深埋圆形巷道中围岩和衬砌相互作用体系弹塑性解的解析表达式。在此基础上,研究了围岩的位移、位移灵敏度和塑性区等随广义荷载的变化规律。根据参数分析和实例计算得到:1)围岩或衬砌由弹性进入塑性,位移灵敏度将发生突变;2)位移灵敏度在弹性区和塑性区的交界面上发生突变;3)根据位移灵敏度的变化情况,可判断围岩和衬砌共同作用体系的稳定状况,并由临界塑性区半径比判断失稳区域的范围。