深埋圆形富水隧道应力与位移的弹塑性解

研究目的：推导获得深埋圆形富水隧道应力场与位移场分布的弹塑性解析解。创新要点：皋于弹性力学厚壁圆筒受均布压力的拉姆解答和Mohr—Coulomb屈服条件,推导了考虑渗流作用和应力释放时含衬砌深埋隧道的弹塑性解,并采用FLAC3D有限差分程序验证了其正确性。研究方法：通过理论分析建立考虑渗流作用和应力释放的含衬砌深埋圆形隧道的解析模型（图1）,然后推导了基于Mohr-Coulomb屈服准则的隧道同岩与衬砌渗流场、位移场和应力场计算的弹塑性解析公式,并通过数值模拟程序（图2）验证了推导公式的正确性。重要结论：基于前人研究皋础,推导获得了深埋富水隧道应力与位移场分布的理论解析解,并通过数值模拟方法验证了其正确性。该解析解一方面可以用于深埋高水头隧道的预设计,如预测隧道周围的水压力、应力场和位移场分布规律,另一方面可用于校核大型复杂数值模型的正确性。     

基于霍克-布朗准则的深埋隧道塌方机制泛函突变分析(英文)

研究目的:分析深埋隧道的塌方机制并推导塌方体形状曲线的解析表达式。创新要点:基于霍克-布朗准则,采用泛函突变理论推导得到了深埋隧道塌方体形状曲线的解析表达式,并据此分析了围岩参数变化对塌方体形状的影响规律。研究方法:通过理论分析建立深埋圆形隧道的解析模型(图1),采用泛函突变理论推导基于霍克-布朗准则的隧道塌方体形状曲线解析表达式,并研究围岩参数变化对塌方体形状的影响规律(图3和4,表2)。通过与自然拱理论和模型试验结果的对比(图5–7)验证本文解析解的正确性。重要结论:采用泛函突变理论推导了基于霍克-布朗准则的深埋隧道塌方体形状曲线解析表达式。该解析表达式简洁直观,不仅可以预测无支护条件下隧道的塌落体尺寸,还可以估算塌落围岩作用于衬砌上的荷载。     

基于霍克-布朗准则的深埋隧道塌方机制泛函突变分析

研究目的：分析深埋隧道的塌方机制并推导塌方体形状曲线的解析表达式。创新要点：基于霍克-布朗准则,采用泛函突变理论推导得到了深埋隧道塌方体形状曲线的解析表达式,并据此分析了围岩参数变化对塌方体形状的影响规律。研究方法：通过理论分析建立深埋圆形隧道的解析模型（图1）,采用泛函突变理论推导基于霍克-布朗准则的隧道塌方体形状曲线解析表达式,并研究围岩参数变化对塌方体形状的影响规律（图3和4,表2）。通过与自然拱理论和模型试验结果的对比（图5–7）验证本文解析解的正确性。重要结论：采用泛函突变理论推导了基于霍克-布朗准则的深埋隧道塌方体形状曲线解析表达式。该解析表达式简洁直观,不仅可以预测无支护条件下隧道的塌落体尺寸,还可以估算塌落围岩作用于衬砌上的荷载。     

长大深埋排水隧道在不同施工方法下围岩稳定性

为研究不同施工方法下深埋排水隧道围岩变形机制及稳定性控制,利用有限差分程序FLAC3D模拟了在不同施工方法下隧道的开挖支护过程,研究了隧道支护结构的变形与应力变化规律,探索了围岩稳定性,并分析了应力场、塑性区及变形对不同围岩力学参数敏感性。研究结果表明,在不同施工方法下排水隧道衬砌按抗压及抗拉验算均是安全的,且最大拉应力主要集中在拱底上;采用全断面法施工时围岩的竖向位移和水平位移最小;衬砌应力及围岩变形对弹性模量最敏感,黏聚力和内摩擦角对塑性区影响较大。     

基于统一强度理论的拉压异性材料厚壁圆筒的自增强分析

运用统一强度理论对承受内压的拉压屈服强度不同材料的厚壁圆筒进行了自增强分析,得到了适用于多种材料的厚壁圆筒弹性区与塑性区中的应力分布,残余应力分布及合成应力分布的统一解析式,分析得出了最佳弹塑性半径和最佳自增强内压的统一解析解.     

有限元强度折减法在双孔并行隧道施工模拟中的应用研究

用有限元强度折减法计算出的安全系数作为评价隧道围岩稳定性的指标,借助于ANSYS程序,使用莫尔-库仑等面积圆屈服准则,计算嵩山隧道的安全系数,通过分析比较确定最优开挖方案;对隧道的开挖支护过程进行数值模拟,分析应力场、位移场、塑性区和支护结构内力变化规律,为隧道工程施工提供理论指导。     

破碎介质中隧道围岩应力有限元分析

运用有限元法的基本原理,对破碎介质中隧道围岩应力状态进行数值模拟,分析不同材料加固参数对围岩应力状态的影响.并将围岩垂直应力的数值解与按规范规定的简化公式求得的结果进行了比较,得到该隧道围岩应力的一些分布规律,为今后类似工程项目的施工提供参考依据.     

热-水-应力耦合弹塑性二维有限元程序的研制

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手，使用Galerkin方法．将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，初步开发出了一个用于分析饱和岩土介质中热一水一应力耦台弹塑性问题的二维有限元程序。通过一维固结问题的有限元解与太沙基解析解的对比，以及对一个简单的热一水一应力耦合问题的数值计算，验证了本程序的正确性。     

椭圆渗流非线性方程解析解研究

本文基于地下流体通过岩石的非达西渗流物理模型,建立了非线性渗流微分方程,并根据复合函数微积分变换关系,推导出了该非线性方程的解析解.实例计算及误差分析表明:解析解表达式中选取合适的n值,计算结果可以满足工程技术问题的精度要求.     

非均布水压作用下采动煤层底板渗流与应力耦合破坏数值模拟

在原岩应力,地下水,地质构造和煤层扰动等因素的基础上,根据煤层底板含水层水压不均匀的特点,从渗流场与应力场共同作用的角度出发,建立了底板含水层非均布水压力学模型和倾向条状带的流固耦合模型。根据弹塑性理论求得煤层底板突水的极限水压力的弹性理论解和塑性理论解。运用FLAC3D数值模拟软件对采动工作面底板进行流固耦合数值模拟,分析了采动煤层底板的破坏特征和渗流特性。重点模拟工作面推进过程中非均布水压作用下底板的变形,破坏区域,孔隙水压力的变化等,得出非均布水压力对隔水岩层的破坏影响明显小于均布水压的重要认识。     

三通管焊接裂纹周围各场的数值模拟

由于裂纹尖端的奇异性,应用解析法求解复杂裂纹周边的位移场和应变应力场几乎不可行,然而可以采用数值法,借助ANSYS软件,对裂纹前缘、边缘的位移场和应变应力场进行模拟,模拟结果与断裂力学理论分析几乎一致.     

成层土中地下水渗流对盾构隧道开挖面稳定影响上限分析（英文）

目的:盾构隧道在成层土中掘进时,地下水渗流容易引起盾构开挖面失稳破坏。本文提出考虑地下水渗流的机动场模型,探讨成层土中地下水渗流规律,研究渗流对开挖面稳定性的影响,并提出渗流条件下成层土中盾构支护压力的计算方法。创新点:1.提出考虑地下水渗流盾构开挖面失稳机动场的模型;2.建立成层土中地下水渗流模型;3.推导考虑地下水渗流的盾构开挖面极限支护压力上限解。方法:1.根据已有工程案例,对渗流条件下成层土中盾构开挖面失稳进行受力分析(图5),并提出开挖面失稳机动场模型(图6);2.通过上限分析,推导得到盾构开挖面失稳极限支护压力计算公式(公式29);3.对成层土中地下水渗流进行数值模拟,并采用理论模型(图15)对渗流规律进行表征;4.研究极限支护压力对地下水渗流因素的敏感性。结论:1.地下水渗流在失稳土体内部产生渗流力作用,在盾构开挖面上也对支护压力产生抵消作用。2.提出成层土中考虑地下水渗流的失稳机动场模型,并推导出极限支护压力上限解;3.在盾构土舱未进行渗透性改良的条件下,成层土中地下水渗流在1200 s内达到稳定,其中,穿越层渗流方向主要为水平向,而覆土层中主要为竖向渗流;4.考虑渗流影响,本文上限解预测的支护压力值更为合理。     

深埋隧道穿越围岩破碎带变形控制技术研究

新建和顺至邢台铁路天河山隧道为深埋隧道,隧道穿越高地应力区。隧道开挖引起局部地应力释放,在开挖围岩区域形成较大的二次应力,如不及时采取合理的支护措施,待二次应力场发展到一定程度后可能引起隧道坍塌,造成人员伤亡和经济损失,参考国内类似工程并结合设计要求,确定了拱顶沉降不超过7 mm的控制标准。本文利用FLAC3D有限差分软件分析了不同支护措施(超前小导管注浆、管棚注浆、掌子面超前注浆)对隧道变形的控制效果。结果表明:隧道采用洞身管棚、超前小导管注浆并加固掌子面的超前支护措施控制效果最好。     

线性强化材料厚壁球壳的统一自增强分析

运用统一强度理论对承受内压的线性强化材料的厚壁球壳进行了自增强分析,得到了适用于多种材料的厚壁球壳弹性区与塑性区的应力分布、残余应力分布及合成应力分布的统一解析式.并根据厚壁球壳的安定性条件和合成应力分布分析得出了最佳弹塑性半径和最佳自增强内压的统一解析解.     

基于数值模拟的隧道衬砌高水压风险评估

在青云山深埋特长隧道的初步设计风险评估中,运用数值模拟进行了衬砌结构高水压的风险评估。结合地质勘察资料,识别出风险因素,包括不整合接触带和向斜核部两类。在风险分析中,建立全封堵、自由排放和堵水限排三种工况,进行数值模拟。数值模拟结果表明：全封堵设计,衬砌结构水压力最大;自由排放设计,衬砌结构水压力最小,但地下水流失严重;堵水限排设计,衬砌结构水压力居中,能较好保护地下水环境。基于数值模拟结果,综合评定,隧道衬砌结构高水压风险为高度。借鉴工程经验,提出了风险应对措施,包括：合理进行注浆设计,合理设计排水系统,重视排水系统的维护。在实施风险应对措施后,对风险作了复评,衬砌结构的安全性符合规范要求,风险复评等级为低度。     

渗透性地层中隧道施工引起的地表沉降——以深圳地铁为例（英文）

目的:在城市地铁的建设过程中,地下水渗流对地表沉降存在较大影响。然而,渗透性地层中浅埋暗挖法施工的案例报道较少,地表沉降规律尚不明晰。本文以深圳地铁5号线和7号线重叠段工程为例,详细分析在渗流作用下浅埋暗挖法施工引起的地表沉降特征以及小导管注浆区和初支衬砌渗透性对地表沉降的影响,并进一步研究超前排水措施在沉降控制方面的作用。创新点:1.系统分析了富水渗透性地层中浅埋暗挖隧道施工引起的地表沉降的发展过程以及沉降特征;2.验证了三维流固耦合数值模型模拟富水环境下重叠隧道施工过程的可行性;3.研究了小导管注浆区、初支衬砌的渗透性和超前排水措施对地表沉降的影响。方法:1.结合隧道施工方案和地表沉降监测数据,分析渗流作用下的地表沉降特征(包括沉降影响范围、沉降槽宽度以及与拱顶沉降的关系等);2.通过三维流固耦合数值模型,研究小导管注浆区和初支衬砌渗透性对地表沉降以及地层孔压变化过程的影响;3.通过模拟掌子面前方水平排水孔,研究超前排水措施对掌子面稳定性和地表沉降发展的影响。结论:1.对于渗透性地层中的浅埋暗挖隧道工程,地下水渗流引起的固结效应是地表沉降量以及沉降范围大幅增长的主要原因。2.全断面注浆能够很好地控制地表沉降,而小导管注浆的效果则十分有限。3.降低小导管注浆区的渗透性,尤其是初支衬砌的渗透性,可以减少地层孔压的下降程度,进而降低地表沉降。4.打设超前水平排水孔可以显著提高掌子面稳定性,却对地表沉降影响有限;当无法进行全断面注浆时,推荐采取小导管注浆与超前排水相结合的方式施工。     

预应力锚索锚固段粘结破坏本构模型研究

为了验证本文建立的锚索/注浆体耦合本构方程的正确性,对不同试验条件下的拉拔试验进行了数值模拟.分别对径向压力为常数,径向刚度为常数下的拉拔试验进行了数值模拟,并对其进行各相关参数、不同围岩应力变化等参数条件下的力学效果进行了详细的分析,得出了影响锚索锚固效果的相应的影响因素:注浆体的力学特性、锚索单元的围压及其刚度和由于岩体开挖引起的原岩应力场的改变.并且通过数值模拟可以看出,不同围压锚索体内的轴向载荷与其轴向位移、轴向位移与其径向位移之间的函数关系.轴向载荷随着轴向位移的增大而成增大的趋势,同时,水灰比低的锚固单元锚索的承载力比水灰比高的锚固单元要高;而且,在锚索轴向载荷的作用下,锚索的径向位移与其轴向位移基本呈线性关系.在岩体开挖后,岩体内的应力状态的改变对锚固体的应力分布有较大的影响作用,其应力状态的改变可以较大的影响锚索的轴向载荷的等作用载荷的分布.     

带孔薄壁圆管多轴加载下的弹塑性有限元分析

对低碳钢材料带孔薄壁圆管试样采用逐级加载试验方法,得出其在室温下的单轴循环应力-应变本构关系。利用有限单元法对圆管试样进行弹塑性分析,采用Von Mises屈服准则、多线性随动强化模型,并结合试验获得的本构关系来定义材料的弹塑性特性。拉扭应变载荷加载在柱坐标下进行,采用一端固定,另一端加轴向位移与周向位移的方式。分别在纯拉、纯扭以及拉-扭比例加载下计算出应力应变场,获得不同受力情况下不同孔径尺寸试样在缺口处的应力应变分布。计算结果为多轴加载疲劳试验和复杂应力状态下工程零部件的疲劳寿命预测与分析提供基本数据。     

垃圾填埋气体传输过程的渗流模型及解析解

基于多孔介质渗流力学理论建立了垃圾填埋气体传输过程的动力学模型,采用Laplace变换对气体传输渗流场控制方程进行近似解析求解,得到了填埋气体非线性渗流的压力分布规律.由不同时间填埋气体压力随水平距离分布计算结果看出:随时间的增长,压力曲线变缓,压力增大.     

深埋软硬互层地质的长距离隧道TBM施工方法

为了提高深埋软硬互层地质的长距离隧道施工效率和质量,提出基于隔离桩盾构隧道开挖技术的深埋软硬互层地质长距离隧道TBM施工方法,采用模糊约束控制方法进行长距离隧道TBM施工的盾构参数优化设计,对弯矩、水平位移、轴力等参数进行准确计算,针对深埋软硬互层地质土体的各向异性和复杂边界条件进行长距离隧道施工过程中的地基土层基本物理力学指标优化设计,实现隔离桩盾构隧道开挖施工优化设计。测试结果表明,采用该方法进行深埋软硬互层地质的长距离隧道施工的弯矩控制性能较好,水平位移和沉降的效能较好,提高了深埋软硬互层地质的长距离隧道施工的质量。