文摘

本文以深隧道的围岩为研究对象,考虑渗流的影响下的作用机理。基于莫尔-库仑准则,深埋隧道围岩的应力机制分析了收敛约束方法。基于弹塑性的解决方案,解决方案的非线性弹塑性围岩和衬砌结构之间的相互作用考虑渗流力的作用,提出了和围岩塑性区半径。围岩应力和位移之间的关系,衬里的径向变形,观察反应部队的支持。同时,考虑渗流的影响,应变软化,和中间主应力、围岩分为塑料残留区,塑性软化区,弹性区和塑性区应力分布表达式和圆形隧道围岩的每个区域。结果表明,随着非均匀渗透系数的变化,渗透显示各向异性在不同的方向,和接近水平或垂直方向,更明显的非均匀渗透系数对孔隙水压力分布的影响。渗流和材料软化有不同影响围岩应力场的分布和塑性区大小的。材料软化更不利于围岩的稳定渗流。中间主应力系数有显著影响的切向应力和塑性区围岩。当不考虑中间主应力的影响,计算结果相对保守,不能充分发挥围岩的强度。 The research conclusion can provide a theoretical reference for studying the stability of surrounding rock in tunnel excavation under water-bearing rock.

1。介绍

随着经济的快速发展,国内基础设施建设如火如荼,各种各样的交通工具逐渐扩大到偏远的山区。作为交通建设的重点之一,隧道可以充分发挥岩石抗压强度高的特点,当穿越山区,所以它得到了广泛的应用1- - - - - -4]。然而,应力和位移的变化引起的隧道围岩渗流场和应力场耦合的隧道开挖后,围岩和衬砌的相互作用在当前隧道施工不可避免的问题。隧道开挖过程中富含水分条件下(5- - - - - -7),隧道主要受水的影响两个方面。一个是水的存在降低了岩体的力学参数和岩体的强度变化。另一方面,隧道开挖引起围岩渗流场的重新分配和孔隙水压力的变化。之间的耦合应力场和渗流场的两个字段是关键原因加重地层变形。因此,考虑渗流的影响,研究围岩的应力和应力分布深隧道已成为一个热点学术和工程界。

隧道围岩的应力和位移,一些学者主要使用弹塑性本构来分析这些问题。主要研究方法包括理论分析方法(6- - - - - -15和数值模拟方法16- - - - - -20.]。的理论分析方法、刘等人。6Hoek-Brown准则]替换到平衡微分方程考虑渗流体积力的影响来解决这个问题。通过求解超越方程,数值解的压力在隧道周围塑性区和弹性区岩体应力的数值解得到;刘等人。7)应用的渗透力应力场体积力的形式而不考虑衬砌和获得弹性位移和应力的解析表达式,然后应用莫尔-库仑屈服准则获得塑性应力和塑性半径的解析表达式;李和Pietyuszczak [8)使用一个简化的数值方法来计算圆形洞室的应力和位移分布针对摩尔-库仑和围岩Hoek-Brown媒体在考虑应变软化。在数值模拟方面,窦等。16设置围岩和衬砌为弹塑性材料,给隧道围岩的安全系数的计算方法,主要的支持,和二次衬砌采用极限分析的方法;吴et al。17)使用基于岩石弹塑性应力分析程序渗流损伤耦合模型,利用耦合模型逆损伤参数根据现场监测位移,然后分析了隧道围岩应力场的分布规律,渗流场、损伤场,和衬砌结构的应力特征。另一方面,有许多研究成果位移之间的交互和衬21]。基于Drucker-Prager屈服准则,王et al。21)的弹塑性解析解推导出围岩和衬砌结构之间的相互作用的影响下渗流效应,阐述了应用上述分析结果确定衬砌结构的负载;吴et al。22]利用莫尔-库仑屈服准则和双线性本构模型,提出了交互系统的弹塑性解的解析表达式围岩和衬砌之间的广义荷载作用下深埋圆形巷道;朱et al。23)分析和研究了轴承的铁路隧道复合衬砌水压力有限元方法的帮助下荷载结构模型。

近年来,许多学者研究了基于经典弹塑性解隧道和推导出隧道弹塑性解考虑渗流场的影响。在文献[7),通过简化深埋圆形隧道和解决它通过使用莫尔-库仑强度准则,围岩压力的解析解考虑渗流场,在围岩应力和渗流场的影响进行了探讨。在文献[24基于文献[研究],7),介绍了压力调整系数获得深埋圆形隧道透水的弹塑性解析解考虑原位应力再分配的影响。在文献[24),巷道围岩稳定性的理论解推导出利用弹塑性损伤力学的理论。通过总结四个岩石强度准则包括莫尔-库仑准则和Hoek-Brown标准,文献[25)获得统一形式的平面应变下的围岩屈服方程。在此基础上,统一解决方案的围岩应力场和位移场渗流。文献[6)提高了围岩的弹塑性应力解推导出基于Hoek-Brown标准,以便它不包含积分项。可以看出,多数学者选择莫尔-库仑准则(24和Hoek-Brown标准26)不考虑中间主应力的弹塑性围岩的计算与分析,导致保守的计算结果。在过去,各向同性的计算主要是用于计算渗流场;也就是说,各个方向的渗透系数是相等的。这是不同于工程实践。只有掌握围岩渗流场的分布规律,隧道开挖后我们可以分析渗流对围岩压力和塑性区。

先前的研究的基础上,基于统一强度理论判据,考虑应变软化的影响,渗透,和中间主应力,本文将隧道围岩考虑渗流的影响进入塑料残留区、塑性软化区和弹性区,推导出解析表达式的每个区围岩压力和直径的一半,并考虑渗透系数在水平和垂直方向上的差异。通过定义非均匀渗透系数,对孔隙水压力的分布规律的影响在各个方向的围岩进行了分析。最后,给出了一个例子来分析围岩软化的影响,渗透,和中间主应力系数的切向应力和塑性区半径隧道。研究结果可以为进一步的研究提供参考在隧道开挖围岩的稳定性在含水岩石。

2。分析围岩压力和位移考虑渗流

2.1。基本假设和力学模型

在富水山区隧道开挖后,隧道附近的围岩和衬砌结构将受到渗透力的影响。根据渗流力学的基本理论,隧道开挖后的渗透水压力和渗流稳定计算的边界条件的分析围岩和衬砌结构之间的相互作用的影响下等效渗流效应。为了方便后续的计算,以下假设和简化渗流在高水头山隧道的特点和塑性力学的理论:(1)深埋地下的隧道,开挖面是圆形的(2)围岩各向同性,均匀和连续的理想弹塑性介质(3)侧压力系数的岩石隧道周围是1,和隧道熊平等四面八方的压力(4)地下水是不可压缩的,服从稳定状态下渗流规律(5)由于隧道的轴向长度,横向维度的价值非常大,忽略隧道两端的影响;隧道简化为平面应变问题

基于上述假设,分析隧道围岩和衬砌模型确定渗流场如图1(从内到外的、圆形区域在图中衬砌和围岩,分别;圆的距离从隧道中心的远场渗流边界,及其稳定渗流的头(相应的水压力 ))。隧道衬砌的内径 ,和外直径 。此外,围岩和衬砌的渗透系数和 ,分别。

2.2。稳定渗流场的分析

渗流流在每个位置的围岩和衬砌与渗透水压力有以下关系: 在哪里是围岩和衬砌的渗透系数在计算部分;是任何围岩和衬砌的半径圆截面隧道中心为中心;水的重力;和渗透水压力。

方程的边界条件(1)包括以下:在隧道衬砌的内外直径,当 ,渗透水压力 ;当 ,渗透水压力 。在远场渗流稳定半径( ),渗透水压力 。连续性条件如下:假设半径段围岩的渗流和渗流半径的衬里 ,考虑到隧道衬砌和围岩稳定渗流场、渗流在路口的围岩和衬砌是连续的;也就是说,当 , 。

通过求解方程(1)和边界条件和连续性条件,渗透水压力的表达式在任何半径衬砌和围岩可获得:

方程(2)是渗透水压力状态隧道渗漏后在一个稳定的状态。

2.3。理论分析的应力和位移

围岩的初始平衡受隧道开挖。由于渗流状态和原位应力的变化,隧道周围的应力状态也将改变。一些围岩将进行非线性塑性变形,而不仅仅是弹性变形。位移和应力等周围的岩石隧道深埋隧道由弹塑性本构律适合进行分析。

2.3.1。弹塑性力学分析模型

基于假设,隧道围岩的弹塑性分析模型,如图2。内径和外径的隧道衬砌和 ,分别。渗透水压力远场稳定渗流 ,衬里的支持反应部队后围岩衬砌应用 ,和隧道周围的围岩压力均匀分布 。围岩压力的共同作用下,渗透水压力,并支持反应部队,附近围岩隧道产生塑性变形。外的塑性区半径 ,和外面的围岩塑性区仍然是有弹性的。以岩体元素在任何时候在围岩图2进行应力分析。点的应力平衡方程 在哪里点的距离是一个隧道的中心;渗透水压力;和指的是减少渗透水压力系数引起的流体压力耦合在施工期间,和它的值是相关材料的孔隙度。具体的值通常是2/31,在摇滚接近失败,值是接近1。如果没有特殊说明,该值为5/6根据实际的项目;是周向有效应力,以拉应力为正,压应力为负。指定的压力不低于参考有效应力。

2.3.2。围岩的应力分析

(1)分析围岩的塑性区

围岩压力的共同作用下,渗透水压力,并支持反应部队,围岩进入塑性状态的一部分,这是在环形区内壁和半径之间的关系 。岩体屈服后,在这方面满足莫尔-库仑准则,那就是: 在哪里和有效应力径向和圆周塑性区元素的有效应力,分别;是岩体的凝聚力;和岩体中的摩擦角。

用方程(2)和(4)到平衡方程(3),获得了一阶非线性微分方程和解决关于[8]。 (2)围岩的弹性区分析

假设半径交界处围岩的塑性区和弹性区 ,的径向应力和岩体在这个位置 。深埋隧道围岩的弹性区被认为是一种厚壁圆筒,和地球的压力在弹性区和内部压力由Kirsch公式可以表示应力状态下的弹性区 :

在公式(13)- (14),和是总径向应力和总周向应力的围岩弹性区,分别;围岩压力;侧压力系数;和计算之间的角点和隧道中心线垂直的方向。

本文强调在各种平等的压力条件下被认为是,侧压力系数需要1。同时,考虑渗透水压力的影响,它可以简化如下: (3)分析围岩的塑性半径

根据应力连续性条件的围岩弹塑性边界( ),在围岩的弹塑性边界,有

根据计算和简化在文献[14,可以获得以下:

支持之间的关系反应力和围岩塑性半径不同岩体参数和渗流条件下可以得到方程(11)和(12)。(4)围岩位移分析

tunn5el出土后,,初始地应力和围岩渗流场变化,导致岩体的位移和变形。围岩的位移分为弹性区位移和塑性区位移。

在围岩的弹性区,根据弹性理论,岩体的位移

3所示。分析围岩压力和位移考虑软化

3.1。力学模型

为了定性研究圆形隧道围岩的应力分布渗透下,以下假设是由实际问题:(1)计算过程被认为是在轴对称平面应变问题,(2)含水围岩被认为是一种两相介质满足达西定律,和(3)为方便耦合计算,压应力为正,拉应力是负的。

图3显示了隧道围岩的力学模型。根据围岩的应力应变状态,隧道围岩分为三个区域,即弹性区、塑性软化区,和塑料残留面积。围岩的弹性区域是一个完整的状态。当围岩应力超过岩体的强度极限,围岩塑性软化状态。与变形的逐渐增加,岩体的强度逐渐降低。最后,残余强度。在这个时候,围岩进入塑料残留面积。见公式(1)和(2)的值对应的力学参数。隧道的开挖半径(m),隧道的距离中心的外边界塑料残留区(m),距离中心的隧道外边界的塑性软化区(m)。外的水压稳定渗流场的半径(m)是一样的水压力(Pa)外的初始渗流场,可以获得从钻孔测试(27]。隧道的支持力量(Pa),初始地应力(Pa)和侧压力系数是1;也就是说,水平地应力等于垂直地应力。

3.2。应变软化模型

围岩的应变软化显示开幕式和微裂隙的渗透压力和围岩弱化的属性。宏观上,可以认为围岩的凝聚力和内摩擦角变化,和围岩的力学参数,凝聚力(Pa)和内摩擦角,已经改变了φ(°),分别分段函数: 在哪里和围岩力学参数的峰值;和剩余围岩力学参数;是塑料软化参数,其值等于塑性剪切应变。根据文献[28),当 ,围岩在prepeak弹性阶段。此时,围岩和峰值的价值是作为参数。当 ,围岩的塑性软化阶段。与增加价值价值和值逐渐降低。当 ,围岩的塑性残余阶段。此时,围岩和价值把剩余价值的参数。在文献[获得的计算公式29日)如下: 在哪里是岩石扩张角(°);是围岩的弹性模量(Pa);和软化曲线的斜率(Pa)。以来几乎没有区别卸货斜率和加载岩石应力-应变曲线的斜率,这里假定他们是相同的。

3.3。统一强度理论

统一强度理论有很多表情。岩石材料的内摩擦角的岩石和岩石凝聚力表示如下:

当 :

当 : 在哪里 , ,和最大主应力、中间主应力与最小主应力,分别;是中间的影响程度主要剪切应力和法向应力在其行动失败,表面材料和它的值范围是什么 。

3.4。渗流场计算

在轴对称平面稳定渗流场,考虑到岩体具有不同的渗透系数在水平和垂直方向上,在两个方向表示为达西定律 在哪里是渗流流速(m / d);渗透势(m);和和在水平和垂直方向的渗透系数(m / d)。

在岩体水不可压缩流的连续性方程

孔隙水压力 ,和是水的重力(N / m³)。是定义在水平和垂直方向渗透系数之比是不均匀的渗透系数 ,即 。当 ,岩体各向同性。

轴对称平面稳定渗流微分方程是通过结合公式(9)和(10),表示在圆柱坐标系统: 在哪里之间的夹角是吗和水平坐标轴 ,这上面的公式

当 ,上面的公式中成为一个轴对称平面各向同性岩体的稳定渗流场。根据边界条件 ,孔隙水压力沿半径的分布规律,得到了隧道围岩如下:

4所示。分析围岩压力和位移考虑渗流和软化

由于渗流影响隧道的围岩内部的水压力,外部的水压力,和原岩应力,在不同的工作条件下,围岩的第一主应力可能是径向应力或切向应力。当隧道在施工或操作和初始地应力大于隧道水压力,如果初始地应力大于水压隧道或隧道施工,它是 ;有 建立。因为本文的研究对象是深埋引水隧洞在施工期间,不考虑内部水压力的影响,第一主应力是切向压力。为平面应变问题,中间主应力 在哪里中间主应力参数和岩石材料, 。

4.1。塑料残留区

平衡方程考虑渗流 在哪里渗透水压力的作用面积系数。为了安全,通常当研究失败和岩体的稳定 (21]。

以来的最大主应力在结塑料残留区和塑性软化区( )是 ,因为这工作条件下的最大主应力是切向压力,也就是说,外边界上的应力边界条件的塑料残留区( )是 ;半径的表达的塑料残留面积得到这工作条件:

4.2。塑性软化区

塑性软化区也满足前面的公式的强度准则和平衡方程,方程(28)。压力方程的解决方案过程类似于塑料残留区。的应力表达式塑性软化区可以通过压力边界条件 内部边界的塑料软化区( ):

4.3。弹性区

假设径向压力是由原位应力之间的接触表面围岩塑性软化区和弹性区,和围岩的弹性区可以被视为初始地应力在无穷 。与弹塑性接触表面的径向压应力的共同作用下厚壁圆筒和渗透水压力,压力的表达式在弹性区

从切向应力和径向应力的总和,这是连续围岩的弹塑性界面( ),可以获得,原位应力造成的峰值应力完全没有渗漏

围岩的应力表达式考虑渗流和岩石软化软化参数表达的影响及相关参数可以获得。

5。实例分析

云南隧道是一个分离的隧道。的起始和结束桩直线K22 + 455 - K22 + 711,长度为2256米,和开始和结束成堆的左行zk22 + 437 - zk24 + 680,长度为2243米。这是一个漫长的公路隧道。整个隧道的最大设计速度为100公里/小时,隧道的净宽度仅限于14.5米,净高度是5米。下坡隧道,隧道类型正确的纵坡-2.5%的梯度和纵坡-2.5%的梯度。中心线的距离是22 m-30 m,总长度4499米。进口部分采用偏置端墙和端墙门户,出口部分采用裸眼门户,采用光电照明和照明模式。通风模式机械通气,隧道围岩的力学参数如表所示1。隧道入口的建筑工地是图所示4。

5.1。非均匀渗透系数对孔隙水压力分布的影响

从先前的讨论可以看出,有许多因素影响围岩孔隙水压力的分布。下面的非均匀渗透系数进行了分析在不同的方向对孔隙水压力分布的影响围岩。图5显示不同的 。水平轴的距离的比值从隧道的中心和半径的影响外部水压力的初始渗流场。从图可以看出5不均匀的渗透系数影响的孔隙水压力分布在不同的方向。图5(一个)显示,当外部水压力是恒定的,不均匀的渗透系数的增加,孔隙水压力的增长速度在0°方向(水平方向)逐渐减缓并最终倾向于外部的水压力。孔隙水压力的变化趋势在30°方向是类似于0°方向(图5 (b)),但不同 。增长率的差异值明显不如后者;数据5 (c)和5 (d)表明,孔隙水压力的变化趋势在60°方向是一样的90°方向(垂直方向)和孔隙水压力的增长与不均匀渗透系数的增加逐渐加速,这是不同的在90°方向 。下的增长率的差异值明显大于60°方向。这表明,与值的变化,渗透显示各向异性在不同的方向,和接近水平或垂直方向,越脆弱的孔隙水压力分布是不均匀的渗透系数的影响。具体地说,当 ,水平方向接近,孔隙水压力的变化速度越快。当 ,接近于垂直方向,孔隙水压力变化越快。这表明当 ,时,水平方向的渗透系数小于垂直方向,孔隙水压力的减少范围在水平方向上远小于在垂直方向的隧道围岩深远离自由。因为液压力的边界条件隧道免费的脸是一定值,因此,计算结果表明,水力梯度大幅增加在水平方向上自由面附近。

5.2。渗流在不同分区的影响范围和围岩的应力分布

为了揭示应变软化的影响和渗透压力和围岩塑性区半径,它是相对于弹塑性解下列三种情况:没有应变软化,不渗漏,软化和渗流。为了简化计算,在软化区岩石材料的衰减参数被认为是一个线性变化。

当中间主应力系数 ,统一强度准则退化莫尔-库仑强度准则。之间的关系曲线和塑性区半径在计算4例,如图6。从图可以看出6那产生重大影响半径围岩塑性区。当是常数,增加 ,半径塑性区逐渐减少,直到没有塑性区(因为开挖半径 , 表明,塑性区不存在)。当 ,的对应四个病例为27.2%,15.5%,19.7%,12.8%低于对应 。当 ,的对应四个病例仅为10.5%,6.3%,8.9%,5.2%低于当 ,表明支持力量可以降低围岩的塑性区在一定范围内,并支持力量越小,更重要的影响。在考虑渗流和软化时,获得的大于,当只有一个因素是考虑或不考虑。因此,在隧道施工过程中,应强化了岩体灌浆处理降低软化程度和围岩的渗透系数,降低围岩的塑性区范围,提高围岩的稳定性。计算只考虑软化大于,考虑渗流时,和在这两种情况下大于计算没有考虑两种,表明渗流和材料软化都将影响围岩的稳定性,在计算,不应该忽视和材料软化更不利于围岩的稳定渗流。

图7显示了切向4条件下围岩应力分布 和 ,第一主应力一般控制着围岩。在这种工作条件下,切向应力是第一主应力,所以只有各种参数对切向应力的影响进行了分析。从图可以看出7自由面附近的隧道,切向应力值考虑材料软化小于不考虑材料的软化。这是因为在塑性区围岩的力学参数恶化,导致围岩的承载能力的下降和围岩压力的传播深度,导致塑性区不断扩大的。同时,围岩的切向应力分布的影响考虑渗流场的影响和不考虑渗流场自由面附近的基本上是相同的,但在深度、围岩的切向应力考虑渗流场的影响逐渐大于不考虑渗流场的影响。这是因为,当不考虑渗流场,支持反应作用于隧道墙被认为是表面力,和它的作用范围是有限的。渗流压力实际上是一个体积力作用在任意点的应力场。

图8显示了围岩的切向应力分布对应于不同当 考虑渗流和软化条件,塑性区半径的图所示6。从图可以看出8的增加 ,切向应力自由面附近的围岩逐渐增加。从2 MPa提高到10 MPa,切向应力在隧道内壁的从8.6 MPa提高到30.4 MPa,增加2.5倍,而切向应力峰值降低从35 MPa为30.6 MPa,下降14.4%。

5.3。中间主应力系数对不同分区的影响范围和围岩的应力分布

基于统一强度理论判据,隧道围岩的弹塑性解析解是通过综合考虑渗流场和围岩应变软化的影响。众所周知,这一系列的解决方案可以被转换为已知的解决方案通过改变中间主应力系数 。例如,当= 0,0.25,0.50,0.75,和1.00,分别,这个解决方案可以针对摩尔-库仑,变成了一个特殊的解决方案满足双剪强度准则和其他强度标准。通过改变中间主应力系数 ,中间主应力的影响围岩渗流下的切向应力和软化效应进行了分析。图9显示了围岩的切向应力分布对应于不同值的时候 ,和图10显示相对应的塑性区半径不同值。从数据可以看出9和10那价值产生重大影响围岩的切向应力和塑性区范围。增加的b值、塑性区半径逐渐减小,而切向应力自由面附近的围岩逐渐增加。当考虑中间主应力效应( ,0.50、0.75和1.00),围岩最大切向应力的增加了0.2%,0.8%,0.9%,和1.8%,分别比不考虑中间主应力效应( ),和塑性区半径的减少了10.8%,17.2%,21.3%,和24.2%,分别表明,相比之下,考虑中间主应力的影响,不考虑中间主应力的影响,计算结果相对保守,不能充分发挥围岩的强度。

6。结论

(1)为了研究深埋隧道围岩和衬砌之间的相互作用考虑渗流的影响,基于莫尔库仑准则,深埋隧道围岩和衬砌相互作用分析了收敛约束方法。基于弹塑性的解决方案,解决方案的非线性弹塑性围岩和衬砌结构之间的相互作用考虑渗流力的影响,提出了获得和围岩塑性区半径的围岩应力和位移之间的关系,径向变形反应部队衬里和支持。同时,渗流,应变软化和中间主应力分析了围岩作为参数,计算结果与围岩的性质相结合。围岩分为塑料残留面积、塑性软化区,弹性区。围岩塑性区的应力分布表达式,推导出圆形隧道的每个领域(2)隧道周围的径向位移主要是相关的非线性变形围岩衬砌。开挖,隧道后,地球的作用下围岩压力和渗透水压力、围岩和衬砌变形,和提供的支持反应逐渐增加。两个协调变形,使隧道往往是稳定的。最后在隧道径向位移取决于围岩的收敛曲线和支持特性曲线(3)定义非均匀渗透系数定量分析双向不平等的影响渗透系数对孔隙水压力分布在各个方向的围岩:与渗流的变化值显示在不同方向的各向异性。当 ,水平方向接近,孔隙水压力的变化速度越快。当 ,接近于垂直方向,孔隙水压力变化越快(4)通过算例的比较、渗流和材料软化有不同程度的影响围岩应力场的分布和塑性区大小的:由于围岩力学参数的恶化,在考虑切向应力小于不考虑软化,软化和塑性区半径比较大。与此同时,研究材料的软化特性对围岩稳定性的影响大于渗流(5)中间主应力系数有重大影响围岩的切向应力和塑性区范围。增加的值、塑性区半径的逐渐减少,而切向应力自由面附近的围岩逐渐增加。在本文计算示例中,当 ,围岩的最大切向应力增加1.8% ,和塑性区半径的减少了25%,这表明,相比之下,考虑中间主应力的影响,计算结果相对保守的不考虑中间主应力的影响,不能充分发挥围岩的强度

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。