宁波大学夏才初教授团队最新研究成果【AG】| 基于三维强度准则的屈服巷道支护与应变软化岩体的相互作用机理

文摘   2024-10-01 16:22   西班牙  



● 题目 ●

Titlle

期刊:Acta Geotechnica

作者:Chen Xu & Caichu Xia

单位:Ningbo University

年份:2024


●●● 摘要(Abstract)●●●


“屈服-抵抗”联合支护措施是软岩隧道中广泛采用的控制措施,用于控制大变形,特别是在高地应力条件下。对于应变软化岩体,塑性区强度参数与支护反力耦合。由于屈服支护与应变软化围岩相互作用机制复杂,目前大多数解决方案都基于平面应变模型。然而,隧道推进是一个三维问题。因此,在分析应变软化岩体和屈服支护的力学行为时,纵向效应值得讨论。基于广义张-朱(GZZ)强度标准,提出了一种新的两阶段方法来描述应变软化岩体与屈服支护之间的相互作用。首先,提出了一种简化的屈服支护结构力学模型来描述围岩和支护的力学响应。随后,提出了一种考虑纵向效应的三维地面-支护相互作用的半解析解。将所提解决方案的结果与有限元模拟的结果进行了比较,发现两者高度一致。最后,讨论了不同屈服支护的力学行为。研究结果表明,通过屈服技术推迟支护时间至关重要,否则支护将承受非常大的负荷。通过实施“控制-屈服-抵抗”(CYR)支护,可以显著减少第二阶段的支护反应。该研究为研究高地应力条件下围岩与各种隧道支护之间的三维相互作用提供了新颖的见解和方法。

●●● 图表(Figures)●●●


图:高地应力条件下软岩隧道大变形行为


图:隧道支护与应变软化岩体相互作用力学模型


图:虚拟支撑压力pi与实际支撑压力ps的关系


图:岩体的力学行为:a 围岩的软化和残余范围以及 b 强度参数 a、mb、s 和 Nψ 的软化行为


图:具有不同临界偏塑性应变γp*和强度参数的GRC和相应的塑性半径:a GSIr = 50,b GSIr = 40,c GSIr = 30,d GSIr = 20


图:具有不同本构模型和强度标准的 GRC 的比较:a GSIr = 50,b GSIr = 40,c GSIr = 30,d GSIr = 20


图:考虑纵向效应的隧道围岩与不同类型支护相互作用力学模型:a YBR支护、b YR支护、c CYR支护


●●● 结论(Conclusions)●●●


本研究基于GZZ强度准则,提出了一种考虑纵向效应的应变软化岩体与屈服支护相互作用的两阶段微分方法,讨论了高地应力软岩隧道的力学行为以及YBR、YR、CYR支护的影响,为研究隧道支护与围岩的三维相互作用提供了一种新方法。

首先,基于现有的室内试验,采用简化的力学模型表征可让压支护的行为。然后,引入一个取值在0~1之间的应力释放系数λ来反映开挖的纵向效应。从而建立了一种描述隧道支护与围岩三维相互作用的新微分方法。第一阶段为屈服支护阶段。在此阶段,假设支护结构提供恒定的支护反力。当岩体变形到预先设计的位移时,刚性支护开始工作,支护进入第二阶段。为验证所提方案的有效性,将计算结果与三维有限元软件模拟结果进行了对比,结果吻合较好,验证了方案的可靠性。讨论了高地应力软岩隧道的力学行为以及CYR、YBR、YR支护的影响。主要结论如下:

与传统的H-B强度准则相比,基于GZZ准则计算的支护反力和围岩塑性范围较小,GZZ准则能充分反映围岩的自身承载力。在同样的强度准则下,基于弹-完美塑性模型计算的围岩塑性区最大,塑性区应力最小;相反,基于弹-脆塑性模型计算的围岩塑性区最小,塑性应力最大。

支护结构如果过早施工,将承受很大的荷载。高地应力环境下,为获得合理的支护压力,需采用屈服支护、超挖等应力释放技术延缓支护时机。建议采用CYR支护,因为它能在隧道变形过程中提供较高的支护压力。不考虑岩体的变形速率,一味追求应力释放是不可取的,前期支护刚度不足可能导致变形不可控,延长工期。

本文将支护简化为作用于隧道壁面的恒定反力,通常适用于屈服支护,这种支护可以提供连续、恒定的支护反力。刚性支护的情况更为复杂,支护反力的大小难以确定。此外,本文的研究仅限于静水压力下的高应力软岩隧道。未来的研究将把这种分析扩展到非静水压力下的隧道力学行为。



● 参考文献 

●●● References ●●●


Xu, C. and Xia, C., 2024. Interaction between yielding tunnel support and strain-softening rock mass based on the three-dimensional strength criterion. Acta Geotechnica.




End


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