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非圆形隧道毛洞围岩的应力和塑性区

中国铁道科学 2022年第3期43卷 78-85页

作者：刘淑红范金录朱永全石家庄铁道大学工程力学系河北石家庄050043 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043

为研究隧道工程中常见的非圆形毛洞围岩的应力和塑性区分布,采用复变函数方法,得到平面应变状态下受双向挤压应力作用的毛洞围岩应力解析解,并将其代入Drucker-Prager屈服准则,估算围岩的塑性区范围。以工程中常见的大断面双线铁路隧道... 详细信息

为研究隧道工程中常见的非圆形毛洞围岩的应力和塑性区分布,采用复变函数方法,得到平面应变状态下受双向挤压应力作用的毛洞围岩应力解析解,并将其代入Drucker-Prager屈服准则,估算围岩的塑性区范围。以工程中常见的大断面双线铁路隧道为例,先通过搜索边界映射点的方法得到隧道毛洞的映射函数;再求得隧道毛洞附近围岩的应力分布,对推导出的非圆形隧道毛洞围岩应力解析解的正确性进行验证;最后分竖向挤压应力较小与较大2种情况,讨论侧压力系数对隧道毛洞围岩塑性区的影响。结果表明:离毛洞边4倍毛洞宽度处,应力值稳定,趋于所加荷载;当竖向挤压应力较小或较大时,侧压系数的改变分别会影响塑性区的位置或形状;拱腰处塑性区主要由竖向挤压应力产生,而拱顶与仰拱处塑性区则主要由水平挤压应力产生;在隧道设计和施工过程中,当围岩侧压系数较小或较大时,须分别在拱腰、拱顶与仰拱处加强支护。

关键词：非圆形隧道围岩复变函数应力塑性区

基于椭球体理论的低含水率砂层隧道松动土压力研究

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铁道学报 2023年第6期45卷 131-141页

作者：崔蓬勃朱永全刘勇安辰亮江苏建筑职业技术学院交通工程学院江苏徐州221116 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 石家庄铁道大学交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043

为研究低含水率砂层隧道土拱效应下的破坏模式与松动土压力,自制试验装置开展低含水率条件下Trapdoor试验,利用PIV技术得出破坏模式;分析主应力偏转对侧压力系数的影响。基于椭球体理论,考虑松动区内竖向荷载梯形分布形式与表观黏聚力作... 详细信息

为研究低含水率砂层隧道土拱效应下的破坏模式与松动土压力,自制试验装置开展低含水率条件下Trapdoor试验,利用PIV技术得出破坏模式;分析主应力偏转对侧压力系数的影响。基于椭球体理论,考虑松动区内竖向荷载梯形分布形式与表观黏聚力作用,推导不同土拱效应发挥程度下隧道松动土压力计算公式。研究结果表明,表观黏聚力使模型试验最终滑动面呈现椭圆状,与Terzaghi假设的竖直面存在差别;φ为常数时,K值与埋深正相关,随土拱效应发挥程度增大而增大;土拱效应的发挥程度与埋深成正相关,相同埋深下,K随φ增大而减小,利用本文公式计算出K随φ值变化在0.2~0.7之间。算例表明,相同埋深时松动土压力在不同含水率下随土拱效应发挥呈递减趋势,体现出表观黏聚力随土体饱和度变化规律。

关键词：表观黏聚力破坏模式松动土压力土拱效应侧压力系数

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基于三轴试验的泥岩力学特性及强度准则研究

铁道工程学报 2023年第5期40卷 8-15页

作者：运凯朱永全郭小龙方智淳石家庄铁道大学石家庄050043 石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室石家庄050043

研究目的:泥岩在我国有着广泛的分布,其力学性质与其自身含水率有着重要的关系,在各类工程施工中,经常会遇到因泥岩遇水后强度显著降低而引发结构失稳等工程现象。为明确泥岩遇水后强度折减与含水率关系,本文开展不同含水率(0、10.1%、1... 详细信息

研究目的:泥岩在我国有着广泛的分布,其力学性质与其自身含水率有着重要的关系,在各类工程施工中,经常会遇到因泥岩遇水后强度显著降低而引发结构失稳等工程现象。为明确泥岩遇水后强度折减与含水率关系,本文开展不同含水率(0、10.1%、12.5%和14.1%)和不同围压(0 MPa、2 MPa、5 MPa和10 MPa)条件下泥岩三轴压缩试验和间接拉伸试验,以探究适用于软化泥岩的强度准则。研究结论:(1)围压及含水率增大,该泥岩由脆性破坏过渡为延性破坏,其力学性质逐渐接近于正常固结黏土或松砂的特点;围压越高,其强度和弹性模量越大,含水率增高,其强度和弹性模量显著减小,应变增大;(2)泥岩含水率越高,围压对强度的影响作用就越大;低围压环境下(0~2 MPa),泥岩强度随含水率升高而降低的特征较为明显;(3)随着含水率的升高,泥岩抗拉强度和抗剪强度均显著降低,其中抗剪强度中内摩擦角比黏聚力对含水率的变化更为敏感;(4)Rocker强度准则在6种常用强度准则中可更准确地预测不同含水率下泥岩强度,依照该强度准则,提出了考虑含水率效应的软化泥岩非线性强度准则并验证其具有良好的适用性;(5)本研究成果可为各类涉及泥岩的工程提供强度理论依据和工程参考。

关键词：泥岩三轴压缩试验力学特征软化特性强度准则

深埋非圆形隧道开挖围岩的弹性和黏弹性位移解析

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铁道学报 2022年第3期44卷 142-149页

作者：刘淑红范金录陈智慧朱永全石家庄铁道大学工程力学系河北石家庄050043 中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉430063 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043

为研究深埋非圆形隧道开挖引起围岩的弹性和黏弹性变形解析解,首先通过复变函数的方法,得到了围岩中位移的弹性解。之后,根据弹性-黏弹性对应原理,采用Burgers黏弹性模型,通过拉普拉斯变换和拉普拉斯逆变换,得到围岩位移的黏弹性解。最... 详细信息

为研究深埋非圆形隧道开挖引起围岩的弹性和黏弹性变形解析解,首先通过复变函数的方法,得到了围岩中位移的弹性解。之后,根据弹性-黏弹性对应原理,采用Burgers黏弹性模型,通过拉普拉斯变换和拉普拉斯逆变换,得到围岩位移的黏弹性解。最后以Ⅳ级围岩中铁路双线隧道为例,通过搜索边界映射点的方法,得到其映射函数。给出了隧道附近的弹性位移等值线图、沿隧道边的弹性位移,及隧道拱顶、拱底和拱腰三个特殊点的黏弹性位移,并讨论了侧压系数对弹性和黏弹性位移的影响。研究结果表明:开挖引起的弹性位移在隧道附近区域迅速下降,之后缓慢趋于零;拱顶和拱底的黏弹性竖直位移、拱腰的黏弹性水平位移随时间变化明显,在5 a左右,变化速率减小;随侧压系数的增大,拱顶和拱底的弹性竖直位移减小,黏弹性竖直位移几乎未变,拱腰的弹性和黏弹性水平位移值增大。隧道开挖后,要及时支护,并注意拱顶和拱底的竖直位移。

关键词：复变函数非静水应力场非圆形隧道 Burgers模型黏弹性位移

滑坡蠕动作用下高速铁路隧道结构安全预警技术与应用

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中国铁道科学 2023年第5期44卷 147-157页

作者：孙明磊陶正委朱永全李新志石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043

依托某滑坡蠕动作用下的高速铁路隧道工程,设计并构建包括5大子系统,具备监测数据自动采集、数据传输、结构安全评价及预警等功能的隧道结构安全预警系统;分析滑坡蠕动作用下依托工程隧道结构应力在时间、空间上的分布规律,验证系统的... 详细信息

依托某滑坡蠕动作用下的高速铁路隧道工程,设计并构建包括5大子系统,具备监测数据自动采集、数据传输、结构安全评价及预警等功能的隧道结构安全预警系统;分析滑坡蠕动作用下依托工程隧道结构应力在时间、空间上的分布规律,验证系统的可靠性和应用效果。结果表明:通过静态监测系统对隧道结构应力开展自动、实时、长期的安全监测及预警,设计思路具有可行性,构建的结构安全预警系统具备工程可靠性;隧道衬砌结构应力对滑坡蠕动作用的响应是长期而缓慢的,应力在经过4年“波浪式”增长后仍未稳定,其中套衬段最大钢架应力为-19.95 MPa、最大混凝土应力为-15.51 MPa,拆换段最大钢筋应力为-59.14 MPa、最大混凝土应力为-29.55 MPa;当滑面位于隧道下方时,隧道结构承受偏压荷载,拱顶、靠河侧拱部及靠山侧边墙部位的应力较大,且位于滑体边界处断面的应力大于其他断面。该系统可用于高速铁路隧道结构安全状况的评价和预警,并为保障隧道运营安全提供技术支持。

关键词：隧道滑坡蠕动结构应力安全预警系统

超深层黄土滑坡作用下既有隧道结构体系力学特征

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西南交通大学学报 2022年第1期57卷 148-157页

作者：孙明磊朱永全李新志何本国石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室辽宁沈阳110819

黄土地区滑坡灾害频发,滑坡尤其是超深层滑坡对既有隧道结构受力变形有重要影响,隧道滑坡体系变形特性、力学响应一直是学术界和工程界关注的焦点.以某超深层滑坡地质灾害中的铁路隧道工程为依托,建立了“超深层黄土边坡-滑带-隧道”FLA... 详细信息

黄土地区滑坡灾害频发,滑坡尤其是超深层滑坡对既有隧道结构受力变形有重要影响,隧道滑坡体系变形特性、力学响应一直是学术界和工程界关注的焦点.以某超深层滑坡地质灾害中的铁路隧道工程为依托,建立了“超深层黄土边坡-滑带-隧道”FLAC3D三维数值模型;利用基于位移突变的局部强度折减法模拟坡体失稳临界状态;针对不同滑带隧道相对位置,揭示了滑坡诱发条件下既有隧道衬砌结构受力及变形特征变化规律,并结合现场实测数据及结构破损情况初步分析了依托工程事故原因.数值模拟结果显示:当滑带在隧道上方时,受中间围岩“牵动”作用明显,墙脚水平位移最大值27.83 mm;当滑带在隧道下方时,隧道“坐船”作用显著,墙脚水平位移最大值185.61 mm;当隧道位于滑面上方时危险性更高.实测结果显示:沿纵向隧道位移呈“坐船”状,墙脚水平位移最大值为105.35 mm,小于滑带在隧道下方时工况;依托工程为黄土(粉土)-基岩滑坡,隧道位于滑体内,且滑坡仍处于蠕动状态,还未达到滑动临界状态.

关键词：隧道滑坡强度折减法衬砌力学特征变形

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深埋隧道复合式衬砌内力和位移的荷载结构法

铁道工程学报 2023年第11期40卷 70-74页

作者：刘淑红吴辰昊陈雪锋朱永全石家庄铁道大学石家庄050043 中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063

研究目的:研究任意形状的深埋隧道复合式衬砌的内力和位移具有重要理论意义和工程应用价值。本文首先通过弹性力学理论,导出轴对称荷载作用下,圆形隧道复合式衬砌的轴力和位移的解析解,并与数值解进行比较,确定初支、二衬间相互作用的... 详细信息

研究目的:研究任意形状的深埋隧道复合式衬砌的内力和位移具有重要理论意义和工程应用价值。本文首先通过弹性力学理论,导出轴对称荷载作用下,圆形隧道复合式衬砌的轴力和位移的解析解,并与数值解进行比较,确定初支、二衬间相互作用的杆单元弹性模量的合理取值;之后分析了Ⅳ级围岩中非圆形隧道复合式衬砌的轴力、弯矩和位移,围岩对初支、初支与二衬间的约束作用均采用杆单元模拟,其弹性模量分别取地层和初支的弹性模量;最后讨论了侧压系数对非圆形隧道复合式衬砌力学性能的影响。研究结论:(1)轴对称荷载作用下,圆形隧道初支和二衬的轴力和位移的解析解与数值解的误差不到5%,确定了使用杆单元模拟非圆形隧道初支和二衬间相互作用时,其弹性模量可以采用初支或二衬的弹性模量;(2)非圆形隧道二衬的轴力和弯矩均比相应位置处初支的大,初支和二衬分别在拱腰和拱底取得轴力最大值,均在拱脚取得弯矩最大值,均在拱底取得竖向位移最大值;(3)对于侧压系数在0.1到0.3范围内的Ⅳ级围岩,侧压系数的改变对非圆形隧道二衬最大的轴力、弯矩和位移的影响都比较小;(4)本研究结果可应用于隧道、竖井、管桩等工程结构。

关键词：初期支护二次衬砌轴力弯矩位移

考虑黏度空间衰减的宾汉姆流体柱形渗透注浆机制研究

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岩石力学与工程学报 2022年第8期41卷 1647-1658页

作者：王庆磊朱永全李文江崔蓬勃潘英东石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 江苏建筑职业技术学院江苏徐州221116 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

低渗透性多孔介质渗透注浆过程中存在渗滤效应,造成浆液颗粒浓度和黏度空间分布不均,严重影响注浆效果。通过一维可视化注浆试验,研究渗滤效应的发生条件及影响因素,得到考虑水灰比影响的黏度衰减率空间分布表达式,并推导出考虑黏度空... 详细信息

低渗透性多孔介质渗透注浆过程中存在渗滤效应,造成浆液颗粒浓度和黏度空间分布不均,严重影响注浆效果。通过一维可视化注浆试验,研究渗滤效应的发生条件及影响因素,得到考虑水灰比影响的黏度衰减率空间分布表达式,并推导出考虑黏度空间衰减的宾汉姆流体柱形渗透注浆理论公式,基于计算机编程技术,依托Comsol Multiphysics平台,二次开发得到该理论公式的二维数值模拟程序,在此基础上开展不同注浆压力和水灰比条件下的仿真分析和模型试验,对比验证该理论机制的正确性。研究结果表明,渗滤效应发生时,浆液颗粒浓度和黏度沿渗流路径明显下降,采用考虑黏度空间衰减效应的宾汉姆流体柱形渗透注浆扩散公式得到的扩散半径、渗透压力等更接近实测值。因而更好地说明渗滤效应导致的黏度空间衰减不可忽略,采用新的理论公式更能反映宾汉姆流体在低渗透性地层中发生渗滤效应时的扩散规律。该研究成果可为低渗透性地层注浆设计及施工提供一定的理论及技术支持。

关键词：渗流力学低渗透性多孔介质渗滤效应宾汉姆流体柱形扩散渗透注浆

隧道下穿施工引起既有隧道及地层变形预测的改进随机介质理论模型

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岩土工程学报 2023年第2期45卷 301-309页

作者：徐强朱永全雷升祥刘勇赵伟方智淳王聪徐硕石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 石家庄铁道大学交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 中国铁建股份有限公司北京100855 中铁十八局集团有限公司天津300222

新建隧道下穿既有隧道施工时,由于传统随机介质理论无法考虑既有隧道的影响,地层变形预测结果易出现较大误差。考虑隧道开挖后断面的非均匀收敛,基于随机介质理论与Peck公式两者关键参数之间的关系,对传统随机介质理论进行了简化和改进... 详细信息

新建隧道下穿既有隧道施工时,由于传统随机介质理论无法考虑既有隧道的影响,地层变形预测结果易出现较大误差。考虑隧道开挖后断面的非均匀收敛,基于随机介质理论与Peck公式两者关键参数之间的关系,对传统随机介质理论进行了简化和改进;应用隧道衬砌抗弯刚度等效及当层法,对非均质地层和既有隧道进行了等效处理,提出了隧道下穿施工引起的既有隧道及地层变形预测模型,结合相关典型工程验证了该理论模型的准确性。结果表明:与传统随机介质理论相比,预测模型对既有隧道及地层的变形预测曲线均呈“宽而浅”的特点,与数值计算及现场实测结果的关联度更大,具有更高的合理性和准确性,为隧道下穿施工引起的既有隧道及地层变形预测提供了理论依据。

关键词：下穿随机介质理论抗弯刚度等效当层法非均质地层