非圆形隧洞衬砌支护下应力与位移的新解法

以往在利用平面弹性复变函数方法进行衬砌支护作用下非圆形隧洞的力学分析时,一般将洞室外域保角映射到象平面的单位圆外域,并认为可以利用同一个映射函数将衬砌截面映射到象平面的圆环域内。当衬砌厚度很薄时,这种方法是可行的,而当衬砌相对较厚时,利用同一映射函数所得到的衬砌截面形状发生严重失真。为解决此问题,本文引入两套映射函数,分别将洞室外域映射到象平面的单位圆的圆外域,衬砌截面映射到圆环域。这种方法可以适应于不同的衬砌厚度,利用这种方式获得的衬砌截面,在衬砌较厚时仍能保证衬砌厚度相对均匀。在求解解析函数过程中不再采用传统的幂级数解法,而是使用边界配点法,将两套映射函数结合,获得了该问题的应力解和位移解。本文以马蹄形隧洞为例,求解结果与ANSYS软件所得数值解吻合很好,分析了衬砌厚度对隧洞应力和位移的影响。根据本文解答可以方便、快捷地进行相近条件下隧道的初步设计。

非圆形隧洞解析应力空间分布特征

隧洞开挖过程中快速获取掌子面附近围岩空间应力分布信息对其灾变防控至关重要。基于收敛约束法,将非圆形隧洞围岩解析解与可视化软件Tecplot相结合,提出一种高效、直观的隧洞解析应力空间分布呈现方法,利用该方法对引汉济渭岭北深埋隧洞掌子面附近的空间应力分布特征进行了分析,并在基础上探究了初始主应力场水平倾角对隧洞空间应力分布特征的影响。结果表明:沿隧洞纵向逐渐远离掌子面时,隧洞环向应力集中分布呈现出应力集中大小增长区、应力集中区域扩展区与应力集中区域稳定区三阶段特征。对于深埋硬岩隧洞,沿隧洞纵向远离掌子面的三阶段分布区间分别为0.5D(D为隧洞最大洞径)范围内,0.5D~2.0D范围之间,2.0D范围外。此外,初始主应力场水平倾角对隧洞应力分布影响主要体现在环向分布方位,而对其纵向分布影响较小。

基于收敛约束法和岩石整体破坏准则的非圆形隧洞初始支护距离

在地下隧洞开挖过程中,为了充分发挥围岩的自承能力,掌子面附近初期支护距离的选择至关重要。在这项研究中,提出了一种直观、快速的隧洞初期支护距离的确定方法。首先,基于收敛约束法,将非圆形带衬砌隧洞的解析解与可视化Tecplot软件相结合,构建三维空间力学模型。然后,根据岩石整体破坏准则,计算硬质围岩隧洞的破坏倾向系数,并输出其空间分布图。在此基础上,定义隧洞的关键破坏位置,并建立隧洞关键破坏位置的破坏趋势系数与其距工作面的距离之间的关系。最后,将与临界失效趋势系数对应的工作面距离作为最佳支护距离。以实际工程为例,应用该方法成功地确定了合理的初始支护距离。此外,还发现硬质围岩隧洞的稳定性在距工作面1.0D(D为隧洞断面最大距离)范围内迅速下降,在1.0D范围外趋于稳定。

非圆形压力隧洞考虑支护滞后过程的应力与位移解析解

基于平面弹性复变函数中的保角变换方法,考虑衬砌的支护滞后效应,并认为衬砌与围岩完全接触,提出了带有衬砌的非圆形水工隧洞在原始地应力和内水压力共同作用下的应力与位移解析解,且求解过程中采用幂级数法简化计算。以马蹄形隧洞为例,用ANSYS进行数值计算,并与解析解进行对比验证;计算隧洞围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向正应力以及围岩与衬砌之间的接触应力;讨论在不同侧压力系数、位移释放系数和内水压力下围岩与衬砌的应力分布规律。结果显示:解析解与数值解吻合较好;位移释放系数和内水压力对衬砌及围岩的应力分布影响显著,当位移释放系数和内水压力较大时,在衬砌内边界将出现拉应力区。研究结果为非圆形水工隧洞的围岩与衬砌的应力与位移分析提供了可行方法。

光滑接触条件下非圆形有压隧洞应力及位移解析解

考虑支护滞后的力学过程,并在衬砌与围岩为光滑接触的条件下,利用平面弹性复变函数法推导出非圆形隧洞在原始地应力和内水压力作用下的应力及位移解析解。根据衬砌内边界的应力边界条件及围岩与衬砌接触面上的应力和法向位移连续条件,获得了求解围岩和衬砌解析函数的基本方程。利用幂级数方法求解基本方程,再由此计算围岩和衬砌中的应力和位移,并且利用数值方法验证了所得结果。以直墙半圆拱形隧洞为例,分析了不同位移释放系数、侧压力系数和内水压力条件下的围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向应力及围岩与衬砌接触面上的法向应力分布规律。研究成果可为求解深埋隧洞围岩与衬砌的应力及位移解析解提供参考。

非圆形水工衬砌隧洞与横观各向同性岩体在光滑接触下的解析分析

提出了横观各向同性岩体中的非圆形水工衬砌隧洞在各向同性衬砌与岩体处于光滑接触条件下的解析方法.基于复变函数理论,通过建立两种介质在光滑接触边界上的力和位移连续关系以及衬砌自由边界的水压力边界条件,考虑衬砌支护滞后效应并使用幂级数解法获得解析解.针对倾斜结构面岩体中的马蹄形水工衬砌隧洞,使用解析和数值方法验证了解析解的正确性,获得了岩体各向异性和不同洞内水压力对衬砌和围岩接触边界,以及衬砌自由边界上应力和位移分布的影响规律.

马蹄形隧洞考虑支护滞后过程的应力分析

基于平面弹性复变函数中的保角变换方法,推导出带有衬砌的非圆形隧洞在原始地应力作用下的应力解析解。根据衬砌内边界的应力边界条件及围岩衬砌接触面上的应力和位移连续条件,获得求解围岩和衬砌解析函数的基本方程,计算了围岩和衬砌中的应力和位移。在求解过程中,考虑了支护滞后于开挖的力学过程,并认为围岩和衬砌之间紧密接触,不会相互分开和相对滑动。以马蹄形隧洞为例,获得了围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向应力及围岩与衬砌接触面上的接触应力分布规律,并与ANSYS数值方法结果对比,算例表明两种方法的计算结果吻合很好。

正交各向异性非圆形水工隧洞的应力解析解

为了探讨深埋正交各向异性水工隧洞的力学响应问题,考虑洞边作用均布内水压力的情况,基于平面弹性复变函数方法,推导任意孔形水工隧洞的应力解析解。推导中建立3套极坐标系,将物理平面孔外域映射到了像平面的单位圆外域,并建立孔边应力边界条件,再利用幂级数解法,求解出隧洞的应力场。以直墙半圆拱形隧洞为例,通过ANSYS数值计算对解析解进行对比验证,在此基础上,又运用解析方法研究马蹄形和圆形隧洞的孔边应力分布规律。研究结果表明:不同于各向同性岩体,隧洞的正交各向异性围岩应力场表现明显的非对称性;增大侧压力系数会使孔边的切向应力增加,但马蹄形隧洞2个曲率较大位置的切向应力却几乎保持不变;内水压力的增加能减小洞口的应力集中,曲率越大的位置减小越明显,但内水压力过大,会使孔边出现明显的拉应力,不利于隧洞的安全。

各向异性岩体中不同接触衬砌隧洞的解析分析

通过复变函数方法建立分析了非圆形水工衬砌隧洞,在衬砌与围岩处于完全和光滑接触条件下的解析解,考虑了衬砌的支护滞后效应和洞内水压作用。研究了正交各向异性岩体中的马蹄形衬砌隧洞,在不同接触条件和洞内压力工况下,接触边界和衬砌自由边界上的应力和位移解。接触条件对衬砌接触边界的切向应力分布影响最显著,完全接触条件下两底脚的切向压应力最大,光滑接触条件下最小。岩体各向异性和倾斜结构面对衬砌中力学分量的非对称性影响在完全接触条件下明显。完全接触条件可高效发挥衬砌的支撑作用,光滑接触条件使岩体的自承能力充分体现。衬砌在两种接触条件下均承担了大部分由水压引起的张拉效应。