巷道／隧道圍巖非線性流變數(shù)學力學模型及其初步應用

采用相似材料模型試驗方法,對軟巖隧道在以豎直地應力為主和水平地應力為主兩種情況下圍巖壓力分布規(guī)律進行了研究.研究結果表明,隧道圍巖應力升高區(qū)在隧道周圍1倍洞徑之內,應力集中系數(shù)約為1.2~1.5.因圍巖應力重分布而出現(xiàn)塑性區(qū),高應力向深部轉移.隧道施作襯砌后,隨著洞周圍巖應力進一步釋放,塑性區(qū)繼續(xù)擴張,應力升高區(qū)也進一步向圍巖深部發(fā)展,洞周的應力集中現(xiàn)象有所減小.隧道邊墻中部、拱肩、拱頂是比較關鍵的部位,應加強支護.

為了克服回歸分析法在隧道施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中預測模型的不足,利用多目標加權灰色局勢決策法對回歸模型的多個評價指標進行整合量化,得到綜合效果測度和優(yōu)選回歸預測模型。基于已優(yōu)選的回歸模型與模糊自適應變權重組合預測法建立最優(yōu)非線性組合預測模型,將組合模型與優(yōu)選模型進行效果測度對比,并基于該算法編制\"智能監(jiān)測—模型優(yōu)化—信息反饋\"系統(tǒng)。結合麻栗埡隧道工程,對組合模型和單項模型進行分析,預測拱頂沉降值。研究結果表明:以殘差與后驗差為評判標準,實時構建的最優(yōu)組合預測模型的平均相對誤差絕對值為4%,方差為6.5,后驗差比值為0.34,小誤差概率為1,更能對隧道施工過程圍巖變形進行有效的預測和反饋。

分岔式隧道是一種新型隧道結構型式,目前尚無相應的設計、施工技術規(guī)范和標準可循,為了解這種新型隧道結構的應力和變形狀況,采用三維地質力學模型試驗方法對目前在建的滬蓉西高速公路大型分岔隧道進行研究。試驗成果有效地揭示分岔隧道洞周的應力、位移變化規(guī)律和分岔隧道圍巖的破壞機制,獲得分岔隧道的設計和極限承載安全度,為分岔隧道的優(yōu)化設計和施工提供了有工程指導意義的建議和結論。

淺埋偏壓隧道開挖后的受力和變形都是不對稱的,而且在開挖時易出現(xiàn)塌方,對設計和施工帶來許多麻煩.結合現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)和flac3d有限元軟件,從實際數(shù)據(jù)著手分析,結合有限元軟件模擬和分析隧道圍巖應力和位移變化特征,為設計和施工提供參考.

通過建立可反映互層巖體中砂巖與板巖組成、巖層傾角、巖層走向等因素變化對巖體變形影響的互層巖體本構模型,研究了砂板互層巖體中隧道圍巖的力學特性。研究結果表明:巖體中板巖體積含量越高,圍巖最大變形及破壞范圍越大,隧道周邊圍巖變形不對稱性也越明顯,板巖結構面的內摩擦角大小對巖體變形及破壞范圍影響很大,板巖沿結構面破壞為砂板互層巖體的主要破壞形式之一;砂板互層巖體的傾角變化將影響隧道周邊圍巖變形的對稱性及破壞區(qū)域的分布,傾角在40°～60°時,圍巖變形的不對稱性最明顯,板巖含量較高時,砂板互層巖體的最大變形隨傾角的增大而降低;巖層的走向與洞軸線交角越大,圍巖變形越小,隧道周邊圍巖變形也越趨于對稱,在陡傾砂板互層巖體中,洞軸線應盡可能沿與巖層走向大角度相交的方向布置以利于圍巖的穩(wěn)定;隨著埋深的增加,圍巖變形及破壞范圍均增長,因巖層傾角、走向變化引起的隧道周邊圍巖變形不對稱性也越明顯。

隧道原位擴建需要將原有結構拆除后再進行隧道擴挖,形成大斷面隧道。從原隧道的開挖形成小斷面隧道到拆除原有結構再擴挖成大斷面隧道,圍巖經(jīng)過多次擾動后,經(jīng)受的應力狀態(tài)錯綜復雜。以大帽山隧道原位擴建為例,介紹采用數(shù)值模擬手段建立新建4車道和原位擴建4車道隧道的力學計算模型,得出原位擴建隧道的圍巖變形及力學特性,為該隧道的支護結構設計提供依據(jù)。

本文采用自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(anfis)對公路隧道施工過程中圍巖的內聚力、內摩擦角、圍巖側壓力系數(shù)等力學參數(shù)的反演進行了研究;通過數(shù)據(jù)正交試驗以及flac3d正演計算得到數(shù)據(jù)樣本,建立圍巖力學參數(shù)的anfis結構,同時,對現(xiàn)場圍巖位移進行監(jiān)測,最后將模擬計算結果與檢測結果進行比較,結果表明,模擬計算結果與實測數(shù)據(jù)吻合良好,說明該反演分析方法具有良好的工程適用性,可在工程實踐中推廣應用。

由于隧道施工過程和開挖順序的不同都會引起各自不同的應力和應變的非線性歷程,最終導致不同的力學效應,特別是軟弱圍巖隧道,其力學效應表現(xiàn)的更加顯著。結合沿海地區(qū)軟弱圍巖淺埋暗挖矩形隧道施工,使用有限差分軟件(flac)對分部開挖進行非線性數(shù)值模擬,研究矩形隧道軟弱圍巖在開挖過程中大變形的機理。分析結果表明,圍巖和初期支護的應力應變是非線性不可逆過程,其開挖方案應采用軟弱圍巖非線形大變形力學設計方法,以確保開挖施工安全。

目前,對于考慮含水劣化的軟巖蠕變力學特性研究存在一定的局限性。針對此問題,以滬昆客運專線長昆湖南段姚家隧道施工期泥質板巖的蠕變問題為出發(fā)點,通過三軸壓縮蠕變試驗分析應力狀態(tài)及吸水率對泥質板巖蠕變特性的影響規(guī)律,在已有burgers蠕變本構模型的基礎上,引入水劣化因子,建立泥質板巖考慮吸水率的黏彈塑性蠕變本構方程,將蠕變參數(shù)轉化為prony級數(shù),在ansys軟件中驗證蠕變本構方程的合理性。研究結果表明:隨著吸水率的增大,泥質板巖的蠕變變形和蠕變率增大,進入等速及加速蠕變階段的進程加快;應力差的增大預示著泥質板巖進入等速及加速蠕變階段的進程加快,時間縮短;隨著吸水率的增大,泥質板巖蠕變參數(shù)(變形模量、黏滯系數(shù)、體積模量)呈指數(shù)函數(shù)減小。將顧及了水劣化因子的蠕變本構模型輸入至ansys軟件中,計算結果與三軸壓縮蠕變試驗結果吻合度較高,表明考慮吸水率的黏彈塑性蠕變本構模型具有較強的實效性,可以用于描述富水泥質板巖隧道圍巖的蠕變規(guī)律。

基于室內一維固結蠕變試驗,研究了天津濱海淤泥質軟黏土的蠕變變形規(guī)律,建立了反映濱海軟黏土的非線性流變本構模型,確定了模型中的各個參數(shù)。通過此本構模型推導出天津軟黏土的沉降計算公式,利用該公式對天津濱海地區(qū)北塘水庫大壩軟土堤基進行了沉降計算和分析,計算值與實測值比較吻合,證明了流變模型的合理性,同時也說明在軟土地基沉降計算中,考慮非線性流變性狀的影響是必要的。并對天津濱海新區(qū)軟土長期蠕變沉降作出預測。

巖土非線性流變本構模型的辨識算法研究——從巖土非線性流變本構模型通式——p.perzyna方程出發(fā)，研制了巖土工程圍巖流變本構模型辨識用有限元計算程序evp2d，并將其和均勻設計(ud)法結合，獲得了用于ann辨識模型訓練用的具有豐富本構信息的全局性輸入輸出有效...

隧道圍巖分級的距離判別分析模型及應用——隧道圍巖的分級是隧道工程中的一項重要研究工作。將距離判別分析方法應用于隧道圍巖分級問題中，建立隧道圍巖分級的距離判別分析模型，選用巖石等級、風化程度、巖體彈性縱波波速、巖體結構、地質構造影響程度、節(jié)理裂...

隧道圍巖監(jiān)控量測是隧道安全施工的重要保證,通過對隧道現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行建模來分析圍巖施工的變形特征,可以判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性,從而指導隧道的下一步施工。利用灰色系統(tǒng)理論gm（1,1）模型和bp神經(jīng)網(wǎng)絡模型對某隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合與建模分析,并通過計算擬合殘差選取更適合的預測模型來處理分析數(shù)據(jù)。由模型預測結果可知,bp神經(jīng)網(wǎng)絡模型所得到的擬合值更加貼合實際發(fā)展趨勢,擬合精度更高,具有一定的適應性。

改進logistic模型由于能夠比較好的擬合軟土地基在荷載作用下的變形過程曲線,因而在地基沉降預測中得到了較多的應用。鑒于隧道圍巖變形曲線和地基沉降曲線在形式上的相似性,將改進的logistic模型用于隧道圍巖變形預測分析中,并通過工程實例應用對其可行性進行了驗證。結果表明:該模型能夠很好的反映隧道圍巖變形量與時間的關系,能夠非常準確的預測圍巖變形量。該模型為隧道監(jiān)控數(shù)據(jù)處理提供了一種新方法和新思路,并可為今后的預測分析提供一定的借鑒和參考。

并行隧道圍巖應力的線彈性分析——間距較小的并行隧道，兩洞室開挖的相互影響不能忽略。引入雙圓洞室圍巖應力函數(shù)的線彈性方程，并通過編程實現(xiàn)工程計算，探討了間距較小的并行雙圓隧道圍巖的應力特點以及應力隨凈距改變的變化規(guī)律，為間距較小的并行隧道圍巖...

結合具體工程實際,研究了復雜地質背景下圍巖變形與初期支護受力特征,并基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),從隧道水平收斂監(jiān)測、拱頂沉降監(jiān)測兩個角度,分析了施工期隧道圍巖的受力狀態(tài)及圍巖與支護的力學響應規(guī)律。結果表明,隧道圍巖位移-時間曲線圖呈\"臺階型\

隨著科技的進步和施工技術的不斷革新,使得在復雜地質條件下進行隧道工程建設成為可能,姜路嶺隧道位于國道g214線共和至玉樹(結古)段上,為高海拔地區(qū)炭質頁巖隧道.隧道全線巖性主要為青灰色、灰黑色泥粉質炭質頁巖與板巖互層,節(jié)理裂隙很發(fā)育,巖體極破碎,呈碎片狀及板片狀,取原狀巖樣進行室內試驗極其困難,圍巖力學參數(shù)難以獲取,使得隧道圍巖穩(wěn)定性分析和支護結構設計基礎資料匱乏.本文將根據(jù)巖體天然密度和含水率將巖樣進行室內重塑,通過室內直剪壓縮試驗的方法獲得巖體力學參數(shù),經(jīng)壓縮模量換算可獲取彈性模量取值范圍,借助數(shù)值反分析的手段獲得彈性模量的準確取值,為類似工程設計提供必要的基礎數(shù)據(jù).

隧道圍巖巖體變形破壞數(shù)值力學試驗——該文通過對圍巖巖體開展數(shù)值力學試驗，在確定連續(xù)微元尺寸8c，并獲取該圍巖巖體各項基本力學參數(shù)的基礎上，進一步研究了該圍巖巖體的破裂過程，重點討論了該圍巖含單條橫向節(jié)理和單條豎向節(jié)理巖體的變形破壞特征。

公路隧道圍巖巖體力學本構特征數(shù)值分析——文章對諸永高速公路某隧道圍巖巖體，開展了數(shù)值力學試驗，在確定連續(xù)微元尺寸8，并獲取該圍巖巖體的各項基本力學參數(shù)的基礎上，進一步描述了該圍巖巖體的力學本構特征。試驗結果顯示，當84．6m時，則應力應變關系曲線...

結合具體工程實際，研究了復雜地質背景下圍巖變形與初期支護受力特征，并基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，從隧道水平收斂監(jiān)測、拱頂沉降監(jiān)測兩個角度，分析了施工期隧道圍巖的受力狀態(tài)及圍巖與支護的力學響應規(guī)律。結果表明，隧道圍巖位移一時間曲線圖呈“臺階型”，曲線類型可分為三個階段：增長和急速增長階段，該階段一般出現(xiàn)在開挖的1～10d左右；緩慢增長階段，該階段一般出現(xiàn)在開挖的11—30d左右；趨于穩(wěn)定階段，該階段一般出現(xiàn)在開挖的31—42d左右?！芭_階型”曲線與實際相符，當開始開挖隧道時圍巖變形速率急速增大，隨著圍巖變形速率逐漸減慢，然后受下一步開挖的影響，圍巖變形仍然處于緩慢增長，最后隨著開挖步驟的減少，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。

國標《工程巖體分級標準》（gb50218—94）在隧道設計階段應用廣泛,但是由于地質條件的復雜性及巖體各向異性的影響,不能精準預測施工階段隧道圍巖等級。本文基于統(tǒng)計巖體力學提出了針對隧道施工階段的圍巖分級方法,即通過現(xiàn)場巖體結構面統(tǒng)計和巖石力學試驗,獲取結構面參數(shù)和巖石力學參數(shù),應用統(tǒng)計巖體力學強度理論及本構理論,獲得具有各向異性特征的巖體彈性模量參數(shù)e_m,進而應用經(jīng)驗公式換算得到bq值,從而確定隧道圍巖基本分級。在實例中,小盤嶺2號隧道gdk347＋360里程處圍巖設計分級為ⅲ級;應用此方法重新分級的結果為ⅳ級,低于設計分級,這與現(xiàn)場觀察和監(jiān)測的圍巖性狀吻合,說明本方法在隧道施工階段能較為客觀地反映圍巖性質。以上研究結果表明,在含碳泥質板巖隧道圍巖施工階段巖體分級過程中,本方法具有良好地適用性。

文章通過對西北某公路黃土隧道圍巖不同時期的黃土進行取樣物理力學試驗和現(xiàn)場承載力和彈性抗力系數(shù)的載荷試驗,對測試試驗結果進行詳細科學分析,以掌握隴東黃土塬區(qū)不同時期黃土的物理力學特性,并為黃土隧道圍巖設計提供可靠的參數(shù)。