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时间:2018-12-07
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1、大跨度公路隧道长期稳定性分析6.1引言前面的分析都是基于岩体的弹塑性本构关系进行的,未考虑时间效应和长期蠕变的影响。前人研究发现,地下工程开挖后一段很长时间内,支护或衬砌上的压力一直在变化,可见岩石的蠕变对于隧道特别是深埋隧道围岩的变形和长期稳定性,具有重要影响[78]。为保证现场隧道的长期稳定运行,必须考虑到长期蠕变效应。蠕变是当应力不变时,应力随时间增加而增长的现象,是流变效应的最重要表现特征。岩石的蠕变曲线有三种主要类型l88j,见图6-1。图中三条蠕变曲线是在不同应力下得到的,C7,><7tf>e7c,蠕变试验表明,当岩石在较小荷载持续作用下,变形量虽然随时间增长有
2、所增加,但变形速率逐渐减小,最后变形趋于一个稳定的极限伉,这种蠕变称为稳定蠕变;当荷载〜很大时,变形速率逐渐增加,变形铽一直加速增长,直到破坏,蠕变为不稳定蠕变;当荷裁较大时,如图中的abed曲线所示,此时根据应变速率不同,蠕变过程可分为3个阶段:第一阶段,如曲线屮ab所示,应变速率随时间增加而减小,故又称力减速蠕变阶段或初始蠕变阶段;第二阶段,如曲线中be所示,应变速率保持不变,故又称为等速蠕变阶段;第三阶段,如曲线中cd所示,应变速率迅速增加直到岩石破坏,故又称为加速蠕变阶段。一种岩石既可发生稳定蠕变也可发生不稳定蠕变,这取决于岩石应力的大小。超过某一临界应力时,蠕变向
3、不稳定蠕变发展。小于此临界应力时,蠕变按稳定蠕变发展,通常称此临界应力为岩石的长期强度。对岩石隧道来讲,由于开挖和支护导致应力重分布,围岩产生不同的应力分布状态,在进行长期蠕变效应分析时,应计算相应监测点的应力和变形状态,判断其蠕变效应。众所周知,固体本构关系有三种:弹性、塑性和粘性。文献中,通常将围岩应力小于屈服极限时应力应变与时间的关系称为粘弹性问题,将围岩应力人于屈服极限时应力应变与时间的关系称为粘塑性问题。研究表明,在隧道开挖完毕后的长期运营过程中,人多数岩石都表现山瞬时变形(弹性变形)和随着时间而增长的变形(粘性变形),即岩石是粘弹性的f801;为使巷道维持稳定状
4、态,人们也总是力图使围岩应力小于屈服极限。下而采用FLAC软件进行数值分析,版本为FLAC2D5.00.355。6.3弹塑性数值分析在进行粘弹性蠕变分析之前,首先进行简单的弹塑性分析,目的是:①杏看隧道开挖完毕后的二维弹塑性位移和应力状态,与三维分析的模拟结果相互印证;②为进行进一步的粘性蠕变分析提供前期理论依据。(1)不平衡力记录HAC(Version5.00)ll:4»n/jeTFfVi5、5UnbalancedForce变化图对网格屮单元与网格点循环往复计算,当不平衡力(Unbalancedforce)减小到允许值后,认为位移与应力分别趋向稳定常数。从图6-5可见,隧道开挖与支护后,随着计算时步的增加,最大不平衡力在初始阶段快速减小;至4000步左右己减至很小并基本稳定;循环至8872步时,最大不平衡力达到允许范围内(<10Pa),程序迭代终止。(2)位移填色图joeurtg77.FH>mn40wte«7E-oiecen-oi^ISTB-016、-1和图6-6-2显示了隧道开挖周边位移分布规律。预测的扱大垂直位移(ydis)发生在地表,这说明隧道开挖引起的地表沉陷较大,表现出了浅埋隧道的变形特征。由于隧道洞身以上围岩强度小于隧道基底围岩强度,故隧道洞身以上围岩变形量远大于隧道基底变形量。预测的最大水平位移(xdis)发生在隧道两帮位置,说明隧道所受地层仍以垂直地应力为主,这符合现场关于地应力的监测结果。(3)主应力填色TITLEHwivoMkwpylHACTVerwwXWLKeo27『曲001140卿8S71•vw>a»vi••-u.Mvn.-yi.?1^7f»O17、.•»-b-•«■»«ni«b«an»»wxeTITUB»K>vM«r««Mt»^2KACrv«SMo凋LCCM”Foboe1140«S71l*vi
5、5UnbalancedForce变化图对网格屮单元与网格点循环往复计算,当不平衡力(Unbalancedforce)减小到允许值后,认为位移与应力分别趋向稳定常数。从图6-5可见,隧道开挖与支护后,随着计算时步的增加,最大不平衡力在初始阶段快速减小;至4000步左右己减至很小并基本稳定;循环至8872步时,最大不平衡力达到允许范围内(<10Pa),程序迭代终止。(2)位移填色图joeurtg77.FH>mn40wte«7E-oiecen-oi^ISTB-016、-1和图6-6-2显示了隧道开挖周边位移分布规律。预测的扱大垂直位移(ydis)发生在地表,这说明隧道开挖引起的地表沉陷较大,表现出了浅埋隧道的变形特征。由于隧道洞身以上围岩强度小于隧道基底围岩强度,故隧道洞身以上围岩变形量远大于隧道基底变形量。预测的最大水平位移(xdis)发生在隧道两帮位置,说明隧道所受地层仍以垂直地应力为主,这符合现场关于地应力的监测结果。(3)主应力填色TITLEHwivoMkwpylHACTVerwwXWLKeo27『曲001140卿8S71•vw>a»vi••-u.Mvn.-yi.?1^7f»O17、.•»-b-•«■»«ni«b«an»»wxeTITUB»K>vM«r««Mt»^2KACrv«SMo凋LCCM”Foboe1140«S71l*vi
6、-1和图6-6-2显示了隧道开挖周边位移分布规律。预测的扱大垂直位移(ydis)发生在地表,这说明隧道开挖引起的地表沉陷较大,表现出了浅埋隧道的变形特征。由于隧道洞身以上围岩强度小于隧道基底围岩强度,故隧道洞身以上围岩变形量远大于隧道基底变形量。预测的最大水平位移(xdis)发生在隧道两帮位置,说明隧道所受地层仍以垂直地应力为主,这符合现场关于地应力的监测结果。(3)主应力填色TITLEHwivoMkwpylHACTVerwwXWLKeo27『曲001140卿8S71•vw>a»vi••-u.Mvn.-yi.?1^7f»O17、.•»-b-•«■»«ni«b«an»»wxeTITUB»K>vM«r««Mt»^2KACrv«SMo凋LCCM”Foboe1140«S71l*vi
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