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。

考虑围岩峰后强度脆性跌落的洞室黏弹塑性解

岩石全应力-应变曲线常被简化成3阶段模型,该模型的软化阶段应力与应变呈线性相关而忽略了岩石峰后强度下降由快而慢的过程,得到的洞室围岩理论解答与实测相比有一定误差。针对传统的3阶段模型忽视岩石峰后实际路径特征,将岩石的全应力-应变曲线简化成体现峰后强度脆性跌落特性的4阶段模型,考虑围岩的扩容、流变特性,推导了4阶段模型各分区应力、位移解析解,并引入围岩峰后强度跌落公式,获得了各分区半径解答。通过工程实例将本文方法求解的分区半径与其他方法对比分析获得围岩峰后强度跌落公式的适用范围,并将本文求解的洞壁位移与实测进行对比,验证了本文方法的可行性;并分析了软化模量、流变特性等因素对围岩应力、位移和分区半径的影响。研究表明:考虑岩石的流变特性和峰后强度跌落阶段对围岩分区半径有一定影响,且分区半径随着岩石峰后强度跌落系数λ的增大而增大,当λ的取值范围为0.6≤λ<1时,洞壁计算位移与工程实测较为接近;软化模量对洞壁位移和分区半径影响较大且对黏塑性软化区的影响大于黏塑性强度跌落区,流变特性对围岩的影响主要体现在洞壁位移与切向应力上。研究成果为深埋洞室黏塑性范围、洞壁位移等关键数据的预测提供借鉴。

基于D-P准则三阶段蠕变模型的圆形隧洞黏弹塑性解

围岩的流变特性对隧道结构的长期变形有重要的影响。为了较好地描述圆形隧道开挖后围岩的黏弹塑性力学行为,采用分数阶蠕变模型描述围岩的流变特征,采用Drucker-Prager准则表征围岩的塑性特征,推导圆形隧道开挖后考虑支护支撑效应的围岩应力-位移理论解。通过具体算例,分析围岩流变参数对黏弹性塑性变形的影响。结果表明:(1)解析得到的围岩蠕变位移曲线与现场实测结果平均值曲线吻合较好,证明理论推导具有正确性;(2)当考虑黏塑性区围岩的剪胀效应时,围岩的变形值增加。剪胀效应越明显,围岩变形值增加的量值越大;(3)当黏弹性体或黏塑性体的黏性增强时,围岩的蠕变位移量值和速率都会相应增加。

基于分数阶损伤蠕变模型的圆形隧洞黏弹塑性解

深埋隧洞围岩变形是一个与时间相关的复杂力学过程.为了描述这一过程,首先基于分数阶理论,提出一个新的非线性蠕变损伤本构模型.然后基于该模型,并引入Hoke-Brown屈服准则,推导出深埋条件下圆形隧洞围岩位移的黏弹塑性解析解.最后,以锦屏二级水电站辅助洞为工程实例,对解析解的有效性进行验证,并分析了流变参数对流变位移的影响.研究结果表明:1)分数阶蠕变损伤本构可以较好的描述岩石蠕变全过程,即衰减蠕变、常速蠕变及加速蠕变过程.2)随着模型中分数阶阶次及损伤因子量值的增加,围岩的蠕变变形更为明显.3)解析曲线与现场实测位移平均值曲线在量值与形态上均吻合较好,验证了解析解的有效性.

渗流影响下黏弹塑性岩体隧道支护压力预测的解析模型

对于流变岩体中衬砌支护深埋圆形隧道,该文用黏弹塑性模型模拟岩石流变特性并考虑实际应力路径及非稳态渗流场的影响,推导并获得支护压力及围岩、衬砌应力及位移的精确解析解,可以更快速精准地预测与时间相关的支护结构的受力变化和围岩稳定状态。通过开挖释放荷载下的加载计算获得开挖阶段的流变位移与应力。在支护阶段,通过分离变量法获得全域全时段的非稳态孔压分布;正确考虑支护阶段的加卸载应力路径,得到渗流影响下衬砌支护力以及围岩、衬砌力场和位移场的时效解析解。对比考虑加卸载应力路径和仅按加载路径计算的结果,发现仅按加载路径而未考虑实际应力路径时围岩变形预测值偏小,支护结构按此设计将偏于危险。该文为黏弹塑性岩体中深埋圆形隧道与时间相关的支护压力预测和围岩、衬砌流变力场分析提供了快速预测的方法。

膨胀岩隧洞时效变形预测模型及应用

膨胀性软岩隧洞变形是一个以吸水膨胀性变形为主,蠕变、扩容等多因素影响的复杂时变问题。为了预测隧洞开挖后围岩的变形,假设隧道围岩遵循Burgers体与Hoek-Brown准则组合的黏弹塑性模型,并结合湿度场理论和非关联的流动法则,推导了膨胀性软岩遇水工况下的黏弹-塑性时效变形方程,最后根据所得的位移解析式,结合理想案例和Nabetachiyama隧道实例分析了不同参数对深埋圆形隧洞围岩位移随时间变化的影响规律。结果表明:采用的预测模型可以较好地预测膨胀性软岩在遇水工况下的时效变形,且参数相对较少,物理意义明确,识别简单,本文方法可以很好地应用于地下工程实践。