检索结果-南通市图书馆

作者：孙河林石河子大学

学位级别：硕士

随着地下资源的不断开发利用,高地温环境对地下工程稳定性的影响也越来越受到重视,尤其是在高地温水工隧洞开发过程中,往往伴随着高地温、高地应力及渗流等多物理场的耦合作用,因此对高地温隧洞施工建设时围岩-衬砌结构力学问题的研究... 详细信息

随着地下资源的不断开发利用,高地温环境对地下工程稳定性的影响也越来越受到重视,尤其是在高地温水工隧洞开发过程中,往往伴随着高地温、高地应力及渗流等多物理场的耦合作用,因此对高地温隧洞施工建设时围岩-衬砌结构力学问题的研究十分重要。为研究高地温环境下水工隧洞围岩塑性区分布情况和衬砌隧洞的稳定性,本文先依托新疆某高地温水工隧洞进行现场监测,得到了该水工隧洞施工期温度分布、地应力测定数据和岩体的力学参数。之后基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,分别推导了温度-应力、渗流-应力耦合作用下围岩-衬砌结构应力、位移和塑性区半径的表达式,对中主应力系数、温度、渗流、衬砌结构参数对隧洞围岩塑性区应力和塑性区半径的影响展开了算例分析。依据监测成果和岩体参数,借助离散元软件构建了高地温环境下节理岩体多物理场耦合模型,采用数值模拟的方法分析了隧洞开挖后塑性区的发展过程,研究了高地温环境下侧压力系数、节理产状对塑性区分布的影响。最后,基于上述耦合模型,进一步研究不同支护时机时岩体塑性区、应力场、位移场的分布规律和不同支护方案时衬砌结构的应力分布。研究成果对后续相似性工程具有重要的理论意义和应用价值。通过上述开展的研究,得到以下结论:(1)由现场实测分析可知:(a)隧洞围岩温度随时间变化趋势基本相同,距开挖面越远围岩温度越高,反之则越低,施加衬砌后围岩最高温度约84℃,属于高地温洞段。(b)采用水压致裂法得知该标段最大主应力为19.9～22.2MPa,最小主应力为10.2～12MPa,可判断该标段为高地应力区域。(2)中间主应力系数、温度、渗流和衬砌结构参数对围岩塑性区分布都有着影响。考虑中间主应力能充分发挥岩体的强度潜能:热力耦合作用下中间主应力系数b=0.5时塑性区半径比b=0时减小6.78%,渗流-应力耦合时塑性区半径减小5.2%。温度变化产生的拉应力导致衬砌支反力相比仅有力作用时的支反力减小了14%,渗流影响时支反力减小了58.1%,可见比起温度的影响,渗流对隧洞稳定性的影响更大。提高混凝土强度等级,支反力基本不变化,可见混凝土强度对隧洞稳定性影响较小。随着衬砌渗透系数的减小,支反力会减小而塑性区半径会增大。增大衬砌厚度在初始阶段能明显限制围岩塑性区发展,但衬砌厚度对围岩塑性区的限制能力也随着衬砌厚度的增大而逐渐变弱。(3)于节理岩体中开挖圆形隧洞时,塑性区有沿着节理面向深部岩体发育的趋势,节理岩体塑性区发育程度要大于均质岩体塑性区发育程度。开挖后塑性区的发育过程大致有以下5个阶段:点状塑性区、环状塑性区、部分塑性区畸形发育、塑性区持续畸形发育和塑性区恶化。竖直方向上应力不变时,当侧压力系数λ由0.6增大到2.5时,塑性区形态分别为“蝶形”、“横椭圆形”、“圆形”、“纵椭圆形”和“长方形”,即随着λ的增大,塑性区范围也逐渐从主要分布在隧洞左右拱腰变为主要分布在隧洞顶部和底部。λ=1时,节理对塑性区的影响最小;λ越小或越大,塑性区的不均匀分布表现的越显著。(4)随着节理倾角的改变,塑性区面积也会发生变化,节理水平分布时围岩塑性区面积最大,节理斜向分布时围岩塑性区面积最小,即节理倾角为0°时围岩稳定性最差。节理间距越小,岩体完整性越差,开挖后形成的塑性区面积和位移越大,越不利于隧洞的稳定性。(5)通过对不同支护时机时岩体塑性区、应力场、位移场的分布规律进行建模分析,得出开挖后越早施加支护结构越有利于岩体的稳定性的结论;但不管哪种支护时机时,衬砌结构内应力均大于其极限值而发生破坏,故应该施加二次衬砌来保证隧洞的稳定性。

关键词：高地温围岩-衬砌结构强度特征塑性区数值模拟

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考虑渗流效应的衬砌隧洞围岩弹塑性分析

引用

隧道建设（中英文） 2023年第S1期43卷 206-215页

作者：孙河林姜海波石河子大学水利建筑工程学院新疆石河子832003

为探明孔隙水对施工期水工隧洞稳定性的影响,基于弹塑性理论,采用Mogi-Coulomb强度准则,以衬砌-围岩弹塑性区为研究对象,推导圆形隧洞不同工况时围岩-衬砌结构应力、隧洞洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某水工隧洞工程展开... 详细信息

为探明孔隙水对施工期水工隧洞稳定性的影响,基于弹塑性理论,采用Mogi-Coulomb强度准则,以衬砌-围岩弹塑性区为研究对象,推导圆形隧洞不同工况时围岩-衬砌结构应力、隧洞洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某水工隧洞工程展开计算分析,得到渗流效应、衬砌渗透系数和衬砌厚度对围岩-衬砌结构稳定性的影响规律。得出以下结论:1)渗流作用会极大改变衬砌和围岩的应力分布,减小衬砌对围岩的支反力会使隧洞稳定性变差;2)降低衬砌渗透系数会增大衬砌-围岩交界面渗透水压力,减小支反力会使围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大;3)增加衬砌厚度会改变渗流场分布,弱化增加衬砌厚度提供的支护增幅效果,这在开始阶段能明显限制围岩塑性区发育,但后续效果不佳。

关键词： Mogi-Coulomb强度准则圆形隧洞围岩-衬砌结构渗流效应衬砌渗透系数衬砌厚度

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