基于离散-连续耦合方法的隧道压力拱特性研究

隧道压力拱问题一直是隧道工程研究的关键问题,目前常用的连续介质数值模拟方法对于隧道压力拱特性的微观研究有所欠缺,而擅长微观力学研究的离散元数值模拟方法对计算机存储空间和计算时间的要求太高。基于现有离散-连续耦合思路,通过力的传递实现离散-连续模型的耦合;研究了耦合算法中的平均应力计算方法、平均应力计算区域面积及耦合程序遍历颗粒方法;基于自行开发优化的离散-连续耦合程序,模拟了隧道开挖后的围岩受力特性,研究了隧道压力拱形成机理及压力拱特性;计算了埋深分别为10 m,14 m,18 m,22 m,26 m,30 m和34 m情况下的隧道开挖产生的压力拱应力集中等效区域,揭示了隧道压力拱随着隧道埋深的变化规律。研究结果表明,自行开发优化的离散-连续耦合程序能在保证计算精度的前提下,充分发挥离散元方法在微观力学研究方面的优势;隧道开挖后,开挖面周边范围出现层状压力环,但在拱顶和仰拱底附近区域的围岩压力环的环间接触力降低,围岩承载能力急剧降低,形成压力拱;随着隧道埋深的增加,隧道压力拱应力集中等效区域减小,隧道周边围岩的压力拱承载能力越来越大;但当隧道埋深达到一定界限后,隧道压力拱高度趋于稳定。

大断面隧道深浅埋划分方法研究

在中国现行的铁路和公路隧道设计规范中,隧道深、浅埋的划分是以松弛荷载概念作为基础的,并具有统计上的意义,但这种划分方法线条较粗,并没有充分考虑围岩的自承能力。文章以隧道围岩能否形成安全有效的压力拱为基本原则进行了隧道深、浅埋的划分。对于地表水平或近似水平情况,按平面应变假定,认为面内最大主应力的最大值出现在压力拱的内边界处,而将面内最大主应力方向发生偏转(拱体内最大主应力方向为水平方向,拱体外部最大主应力将恢复为开挖前的竖直方向)的点作为压力拱的外边界;当地表有较大坡度时,由于地形对自重应力场分布产生的影响,这里以等效埋深代替实际埋深,用以修正按地表水平情况计算的深、浅埋分界值。根据上述思路,对目前在建的某四线大断面车站隧道,通过数值模拟,建议取30 m埋深作为隧道深、浅埋分界值。

煤矿采空区空间几何特征对岩石压力拱的影响

岩石压力拱对采空区围岩稳定具有重要维护作用。本文基于采场围岩应力函数讨论了压力拱的影响因素,进而借助数值模拟软件,定性分析了煤矿采空区空间几何特征变化对压力拱的影响程度。得到如下主要结论:当采空区埋深达到能形成完整的压力拱后,再增加埋深不会改变压力拱的空间形态,但压力拱承载能力提高;采空区宽度增加对压力拱的影响最大,尤其是覆岩内的拱体内边界将远离采空区;采空区长度增加对覆岩内工作面走向的压力拱拱体影响较大,对其他方向拱体的影响甚微。