基于非线性Hoek-Brown破坏准则对隧道开挖面的支护力研究

盾构隧道施工中,掌子面支护力的确定对施工安全至关重要。针对盾构法隧道支护力问题,基于非线性Hoek-Brown破坏准则,计算盾构法隧道开挖面的支护力,分析岩土体参数、隧道几何尺寸等因素对支护力的影响。计算结果表明:Hoek-Brown强度参数定量确定的方法,然后基于Hoek-Brown破坏准则计算隧道开挖面的支护力数值,进一步分析各个参数对隧道开挖面的支护力的影响。研究结果表明:岩体强度指标GSI越小、扰动因子D越大、岩土体系数mi越小、抗压强度σci越小、隧道直径d越大、岩土体重度γ越大,会导致隧道开挖面支护力q越大。

非线性破坏准则下浅埋隧道的稳定性分析

隧道围岩压力值是浅埋隧道设计计算的重要参数。为进一步提高围岩压力计算结果的可靠性,以传统浅埋隧道坍塌模型为基础,提出了圆弧滑移面破坏模式,同时基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则,运用极限分析上限法推导了地震力作用下浅埋隧道围岩压力的计算公式,验证了计算结果的可靠性,并对影响因素进行了探讨。与实际工程和已有成果的对比分析证明了理论公式具有较高的可靠性和准确度。研究还发现:围岩压力受非线性系数和初始粘聚力的影响较为显著,非线性系数越大、初始粘聚力越小,围岩压力越大;随着待定参数K(水平围岩压力与竖向围岩压力的比值)的减小,水平围岩压力减小,竖向围岩压力增大;地震力对围岩压力的影响不容忽视,竖向地震力单独作用对围岩压力的影响最大,水平和竖向地震力共同作用的影响次之,而仅有水平地震力作用的影响最小。随着水平与竖向地震力系数的增大,围岩压力也在增大。分析结果对于大部分的隧道,尤其是易受地震影响的浅埋隧道研究具有较高的参考价值。

基于Hoek-Brown非线性破坏准则的软岩地基极限承载力数值模拟

基于有限差分分析(FLAC)的软质岩石地基承载力数值计算模型,分析中将软质岩石地基视为均质、各向同性的连续介质,采用理想线性弹塑性本构关系模拟和Hoek-Brown非线性破坏准则及非关联流动法则。为便于数值模拟,采用切线法,把Hoek-Brown非线性破坏准则转换成Mohr-Coulomb线性破坏准则,并依据等量原则推导了瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力的计算公式,编制了基于FLAC内置FISH语言的子程序。通过施加竖向速度向量,分别获得了圆形基础下考虑和忽略岩体自重的极限承载力。与理论值和现场载荷板承载力试验结果进行的对比分析表明,Hoek-Brown解结果比Bell解结果更接近实测值,但都偏于保守,而数值计算结果与实测值非常接近,特别是在考虑自重的情况下,误差仅为2%。说明对于软质岩石地基的极限承载力,采用基于Hoek-Brown非线性破坏准则的FLAC数值模型进行分析是合适的。

基于非线性Mohr–Coulomb破坏准则的浅埋倾斜条形锚板抗拔承载力预测

针对浅埋倾斜布置条形锚板抗拔承载力预测问题,本文采用非线性Mohr–Coulomb破坏准则,提出了极限上拔荷载作用下锚板上方土体的非对称曲线型破坏机制,并利用极限分析上限法与虚功率原理,导出了浅埋倾斜条形锚板极限抗拔力和土体破裂曲线的理论解析解。在此基础上,分析得到了埋深比、布设倾角、非线性系数、初始黏聚力、土体重度和地面超载等参数对锚板极限抗拔力和土体破裂范围的影响规律。研究结果显示:锚板极限抗拔力随布设倾角、埋深比、土体初始黏聚力、重度与地面超载增加而增大,但随非线性系数增加而减小;土体破裂范围随非线性系数和土体重度增加而减小,随初始黏聚力和地面超载增加而增大;锚板倾角、埋深比、土体黏聚力与非线性系数对倾斜条形锚板极限抗拔力和土体破裂范围影响较为显著,在工程设计及施工中应予以重视。将本文结果和现有研究工作进行对比分析,本文方法计算求得的锚板极限抗拔力及土体破裂范围与已有研究方法成果具有较好的吻合特性,进一步验证了本文方法的有效性。本文研究工作可为条形锚板设计及施工提供一定理论参考。

基于广义Hoek-Brown非线性破坏准则的节理岩体地基承载力研究

针对节理岩体非线性破坏特征,发展基于Hoek-Brown破坏准则的临界滑动场理论进行节理岩体地基承载力的计算。首先将Hoek-Brown准则的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,求得每点的瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力;在此基础上,改进基于Mohr-Coulomb准则的临界滑动场理论,建立新的迭代算法,将Hoek-Brown强度准则与临界滑动场理论结合起来,求解被动土压力和地基承载力。同时,综合分析GSI和mi值对地基承载力的影响。算例对比分析结果表明,该方法能迅速准确地确定节理岩体地基最危险破坏滑面并得到相应的地基极限承载力值。

深埋圆形硐室围岩塑性形变压力的广义Hoek-Brown破坏准则解及其三元非线性回归模型

研究侧压力系数λ=1时,以广义Hoek-Brown经验准则为屈服准则的深埋圆形硐室理想弹塑性围岩的塑性形变压力的闭合解。采用较易获得的围岩参数,分别建立最大塑性形变压力随相对初始应力和归一化地质强度指标变化的二元线性回归模型与相对塑性形变压力随相对初始应力、相对塑性区半径和归一化地质强度指标变化的三元非线性回归模型,为预测围岩塑性形变压力提供较为可靠的途径。

考虑水力效应的裂缝边坡稳定性非线性能耗分析

现有考虑水力效应的裂缝边坡稳定性分析大多基于线性破坏准则,而岩土体破坏往往呈现非线性特征,因此开展水力效应影响下的裂缝边坡稳定性非线性极限上限分析具有重要意义。基于极限分析上限定理及强度折减技术,结合“外切线法”非线性破坏准则,构建坡顶含竖直裂缝的边坡对数螺旋线破坏模式,根据虚功原理推导出裂缝边坡安全系数解析式,通过MATLAB优化计算,结合边坡工程实例探讨了典型因素对裂缝边坡稳定性、临界裂缝及滑动面位置的影响规律。研究结果表明:随着地下水位h的持续上升,边坡安全系数不断降低,临界裂缝深度逐渐增大且临界裂缝位置逐渐向坡顶缘偏移;非线性系数m明显影响边坡的稳定性,边坡安全系数随着非线性系数的增大显著减小,采用线性破坏准则会高估地下水位变化对边坡稳定性的影响;随着非线性系数的增大,临界裂缝深度随之增大,临界裂缝位置距离坡顶缘越来越远,滑坡体体积逐渐增大;裂缝与坡顶缘距离l m随着非线性系数m的增大而增大(当m增大0.2时,l m增大约1 m),且随着裂缝与坡顶缘距离的增大,边坡安全系数无明显变化,临界裂缝深度先逐渐减小后趋于稳定。

基于非线性Hoek-Brown破坏准则的裂隙岩体圆形隧道开挖面稳定性分析

裂隙岩体中圆形隧道开挖面稳定性分析是一个具有重要科学价值和现实意义的热点问题。由于裂隙岩体的非线性特性,其强度包络线常采用各种不同的非线性破坏准则来表示。在众多非线性破坏准则中,Hoek-Brown破坏准则被认为能够合理地描述裂隙岩体的强度特征。首先,在极限分析理论框架下,对既有2种适用于线性破坏准则的预测模型(即常用的多椎体块破坏机制和改进的多椎体块破坏机制)进行了修正和扩展,以研究符合非线性Hoek-Brown破坏准则的裂隙岩体中隧道开挖面极限支护压力。其次,将提出的极限支护压力和既有破坏机制(单锥破坏机制和牛角破坏机制)的结果进行了对比,结果表明:基于修正多椎体块破坏机制的结果较基于其余3个破坏机制的结果是最优的,且影响规律与基于线性莫尔–库仑准则的隧道开挖面稳定性分析规律是一致的。最后,将得到的极限分析结果和现有的数值模拟结果进行了比较。结果表明:基于2种破坏机制的计算结果与数值模拟结果也基本一致。

基于非线性破坏准则的边坡稳定性极限分析

上限定理是求解岩土工程问题的有效工具。以上限定理为理论基础,分析边坡的稳定性问题,并考虑了岩土材料破坏准则的非线性特性。在非线性Mohr-Coulomb破坏准则下,采用条分法与极限分析上限法相结合的方法,对边坡稳定性进行分析。通过切线法引入非线性强度参数ct、?t,推导了岩土材料在非线性破坏准则下的相关联流动法则,建立功能方程,推导了边坡直线滑裂面、折线滑裂面和光滑曲线滑裂面安全系数F的计算方程。采用数学规划法计算后与工程实际中常用的边坡稳定性分析方法进行对比,并获得安全系数F=1.0时的稳定性系数Ns。与已有的研究成果进行比较分析,结果表明了该方法的正确性及优越性。

考虑孔隙水压力效应和非线性破坏准则的浅埋地下洞室支护力上限分析

由于孔隙水压力的作用,位于饱和土体中地下结构的力学和变形特征与完全干燥土体中的结构有很大不同。根据浅埋地下洞室的非线性破坏特征构建了一个新的曲线形破坏机制,并将孔隙水压力做的功率作为一个外力功率引入极限分析上限定理的虚功率方程中,推导了孔隙水压力作用下饱和土体中浅埋洞室支护力和速度间断线上限解的解析表达式。利用变分原理,对此支护力的上限解进行了优化计算,得到了支护力的最优上限解,并对单一影响参数变化下的支护力随埋深变化规律和洞室顶部塌落面的形状进行了研究。研究结果表明:孔隙水压力对饱和土体中浅埋洞室的支护力和塌落面均有重大影响;支护力和塌落面都随孔隙水压力系数的增大而增大。

非线性破坏准则下边坡稳定性极限分析斜条分法

考虑坡顶均布荷载和地震效应典型情况下,将边坡滑体进行任意斜条块划分,建立了具有倾斜界面的多块体破坏模型。基于极限分析上限法和非线性摩尔-库仑破坏准则,考虑岩体内正应力的不均匀性,引入多点切线法和强度折减法推导得出边坡临界破坏状态下的安全系数Fs通用计算公式。采用序列二次规划法对安全系数Fs的目标函数进行最优化计算,并与既有研究成果进行对比分析,其结果具有较好的一致性,相对误差不超过3.565%,表明了该方法的正确性。同时对比传统单点切线法计算结果,多点切线法较单点切线法获得的边坡安全系数值偏小,表明了多点切线斜条分法偏于保守,是安全的。参数分析表明坡顶均布荷载、地震效应和非线性参数均对边坡安全系数及潜在临界滑裂面有重要影响。多点切线法引入非线性摩尔-库仑破坏准则对边坡进行稳定性极限分析,为相关研究人员提供了一种新的思路与方法。

极限上限分析中“切线法”引入非线性破坏准则的探讨

基于极限分析上限法,讨论了"切线法"引入非线性M-C破坏准则时采用"初始切线法"和"外切线法"对边坡临界高度、地基承载力、主动土压力3个经典土力学问题的影响,用以分析"外切线法"引入非线性破坏准则对分析岩土问题的合理性和有效性。研究表明:非线性参数对土工结构的安全性有重要影响,恰当引入岩土材料的非线性破坏特性更加符合工程实际;基于上限法通过"初始切线法"引入非线性破坏准则是众多上限解答的一个上限解答,特定条件下能够获得较好的上限解,但随着非线性参数m的增大由此引起的误差也越来越大,采用"外切线法"更具有效性和合理性。

基于非线性破坏准则的浅埋偏压隧道稳定性分析

根据虚功率原理,从能量的角度出发,对浅埋偏压隧道的稳定性系数和支护力进行求解,并且对计算结果进行对比与分析.结果表明:在线性破坏准则下,稳定性系数的计算结果与已有的研究成果基本一致,最大误差小于10%,验证了文中计算方法的正确性;在非线性破坏准则下,岩土材料的非线性破坏准则、隧道的埋深与地面坡角、地表荷载以及孔隙水等不利因素对支护力有较大的影响.文中还给出了不同参数值所对应的破坏面的位置,为浅埋偏压隧道的支护设计提供了理论依据.

非线性破坏准则对竖直边坡稳定性分析的影响

在上限分析理论基础上,研究非线性Mohr-Coulomb破坏准则下的竖直边坡稳定性问题。首先,通过“切线法”引进变量;其次,根据上限定理对边坡稳定性问题建立含有变量的速度场,将稳定性问题变为含有多变量的非线性规划问题;最后,根据“序列二次规划算法”求出上限非线性规划问题的最优解。通过上限解和前人的研究成果的比较表明,该方法是有效和正确的。

非线性破坏准则下浅埋隧道围岩压力的极限分析

采用土体非线性破坏准则,基于浅埋隧道的泰沙基破坏模式,利用极限分析法中的上限定理,推导非线性破坏准则下浅埋隧道围岩压力的计算公式。运用序列二次规划算法进行优化分析,得出围岩压力上限解的最优值。研究结果表明:当非线性系数m=1时,非线性破坏准则变成线性Mohr-Coulomb准则,本文方法的计算结果与泰沙基极限平衡法的计算结果比较接近,证明了本文方法的有效性;非线性系数对围岩压力上限解有较明显的影响。

基于非线性M–C准则的深埋土质隧道三维塌落破坏上限分析

围岩条件较差时,深埋土质隧道在隧道开挖过程中容易发生塌方,准确预测深埋土质隧道塌方土体的范围极其重要,目前能预测深埋土质隧道塌落范围的理论研究不够成熟。为了提前预测土质隧道围岩顶部塌落体的范围,基于非线性Mohr–Coulomb准则和极限分析上限法,推导出深埋土质隧道在三维破坏机制下塌落体的上限表达式,得到了深埋土质隧道塌落体范围的精确解。通过数值软件Matlab绘制出了塌落体的三维形状,研究了各参数对深埋隧道塌落体形状的影响,并与既有研究进行对比分析,研究结果表明:土体中各参数、隧道顶部圆弧的半径和支护力对深埋土质隧道塌落体的范围影响比较大;基于非线性Mohr–Coulomb准则下深埋土质隧道塌落体的上限分析可以求解出有、无支护力条件下塌落体的高度和宽度,求解合理、可靠,并能给出防止深埋土质隧道塌方发生的支护力大小,可为隧道工程设计提供理论依据。

非线性破坏准则与岩土材料地基承载力研究

根据线性Mohr-Coulomb破坏准则,前人运用极限平衡法、滑移线理论或极限分析等方法求解地基承载力问题,但实际上岩土在剪切破坏过程中破坏准则具有非线性。因此,为了研究非线性破坏准则对地基承载力的影响,基于上限定理,通过“切线法”引进变量,根据能量耗散情况,将承载力问题转变为非线性规划问题,运用“序列二次规划算法”求出地基承载力的最优解。数值计算结果表明,当非线性破坏准则转变为线性破坏准则时,非线性参数对地基承载力有重要影响。

非线性破坏准则对被动土压力的影响

在上限定理的基础上,根据非线性破坏准则,对墙后填土建立机动容许的速度场,运用流动法则以及速度边界条件求解被动土压力的上限解。首先通过“切线法”引进变量,然后对墙后填土建立三种含有变量的速度场,求出被动土压力的目标函数与约束条件,最后根据“序列二次规划算法”对该问题进行优化。数值结果表明:当非线性破坏准则变为线性破坏准则时,结果与前人的成果一致;非线性参数对被动土压力有重要影响。

基于非线性破坏准则的临坡地基承载力上限分析

临坡地基承载能力的确定分析已成为地基设计理论中一个重要研究课题。针对现有地基承载力分析方法大多基于线性Mohr-Coulomb破坏准则。考虑岩土材料破坏的非线性特性,采用非线性破坏准则和多切线法,引入极限分析上限理论,根据临坡条形基础地基破坏模式的非对称性特点,构建出临坡条形基础地基单侧刚性多滑块破坏模型及相应运动允许速度场。在此基础上,利用序列二次规划非线性优化算法,建立临坡条形基础地基极限承载力的确定方法。最后,通过工程实例计算,并与已有研究方法计算结果进行对比分析。结果表明,非线性参数对临坡地基承载力有着重要影响,采用多切线法处理非线性材料强度准则问题理论上更严密,上限解更优,验证了该方法的可行性与合理性。

基于非线性破坏准则的边坡稳定性分析

Baker提出的非线性破坏准则是一种广义的岩土体强度准则,常规的M-C强度准则、格里菲斯强度准则以及Hoek-Brown强度准则均为其特例。该准则通过大量的三轴试验引入无量纲强度参数A,n和T,其中A为尺度参数用于控制剪切强度的大小;n为准则曲线的次数用于控制曲率;T为转换参数用于控制准则曲线与σ轴的位置,并反映其无量纲拉伸强度。以Baker非线性强度准则为基础,以极限分析上限法为工具,采用"切线法"思想研究了静、动荷载下边坡的稳定性,将边坡的稳定性问题转化为含多变量的数学优化问题,并给出其最优解。通过算例分析,研究了非线性强度参数对边坡稳定系数与屈服加速度系数的影响。结果表明:边坡稳定系数随无量纲参数A,T的增大而增大;边坡屈服加速度系数随坡高、坡角的增加而降低。