隧道掌子面稳定性刚体平动运动单元上限有限元分析-论文.pdf

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1、公路与汽运222Highways&AutomotiveApplications总第162期隧道掌子面稳定性刚体平动运动单元上限有限元分析*靳柒勤，杨峰(1．中国中铁隧道集团有限公司杭州公司，浙江杭州310000；2．中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)摘要：为了研究地层自重作用下隧道掌子面的破坏模式，开展刚体平动运动单元上限有限元分析，获得了地层参数、隧道埋深等因素与掌子面稳定性临界系数间的无量纲化计算结果，探讨了刚体平动运动单元上限有限元法搜索得到的隧道掌子面破坏模式。研究结果表明，隧道掌子面

2、破坏临界系数随内摩擦角的增加而增加、随埋深增加而减小，当土体内摩擦角较大时，埋深对临界系数的影响逐渐变小，以致可忽略；刚体平动运动单元上限有限元法所得隧道掌子面破坏模式特征清晰，去除未发生滑移的速度间断线后对应的形态与土体破坏时形成的滑移线近似，可为研究隧道破坏机理和构建破坏模式提供参考。关键词：隧道；掌子面；稳定性；运动单元法；上限有限元法；破坏模式中图分类号：U451文献标志码：A文章编号：1671—2668I2014)03—0222—04在山岭隧道开挖过程中，掌子面是稳定性较差1上限有限元运动单元

3、法的关键区域，因而评价隧道掌子面稳定性及研究其破坏形态极具实际意义。目前，利用极限分析理论上限有限元运动单元法引入具有平动模式和节研究该问题是一种有效的手段，研究成果主要有：点可动的三角形刚体单元，单元间设置速度间断线，BromsB．B．等提出的隧道稳定性系数公式；Davis利用上限定理建立非线性规划模型求解。E．H．等建立隧道掌子面二维破坏模式，获得稳定1．1刚体平动运动单元性系数上、下限解；KlarA．等建立隧道掌子面三维如图1所示，刚体平动运动单元的速度分别为速度场，获得掌子面稳定性系数上限解；姜

4、功良利用(“，)和(，73)，单元间设置速度间断线，其中优化理论和极限分析有限元法获得软土隧道掌子面节点①、②和③、④重合，(。，)和(“，)需满足稳定性系数；AugardeC．E．等利用极限分析上、下塑性流动约束条件。限有限元法计算获得隧道掌子面稳定性系数图表；LecaE．等建立砂土地层隧道掌子面三维破坏模式，获得地表均布荷载和地层自重作用下稳定性上限解图表；SoubraA．H．对LecaE．等提出的隧道掌子面三维破坏模式进行改进，由多个锥形体切片构成，改进后的上限解较优；杨峰和周森将掌子面破坏区域构

5、建成网状刚性滑动块体体系，利用上限法研究掌子面支护反力。上述极限分析上限法常需要假定破坏模式，为了将刚体滑块上限法的研究继续推进图1刚体平动运动单元间的速度间断线并摆脱假定破坏模式的限制，该文将具有平动模式和节点可动的三角形刚体单元应用于上限有限元，1．2速度间断线约束条件分析山岭隧道地层自重作用下掌子面稳定性无量纲假定土体服从摩尔一库伦屈服准则，间断线法结果并研究其破坏模式形态。向和切向相对速度Av和△“应满足：*基金项目：国家自然科学基金项目(51008309)2014年第3期靳柒勤，等：隧道掌子面

6、稳定性刚体平动运动单元上限有限元分析223Av—l△“Itan(1)其中为节点总数。令按照上述原理编制刚体平动运动单元上限有限12一z1一．I2．元求解程序。Y12：=：Y1．i—Y2．i2隧道掌子面稳定性上限有限元模型一“12+Yl2一Uz,i3C12一"Oz．iY12(2)一1／tan(o[-uY12+‘u12+“Y,z—2．1问题描述,32l2]图2为浅埋隧道掌子面二维纵向稳定性分析模式中：i表示第条间断线对应的变量。型，其中参数包括隧道高度D、埋深C、土体容重y、利用式(2)可将式(1)所示速度

7、间断线约束条件内摩擦角、粘聚力c。变换为：fy_≤0(3)}Illl—≤0—llJ0ll1．3速度边界条件QI位于边界上的单元应满足速度边界条件，即高llj<∞仰(～4斗)JIlI【cosO一UsinO一式中：U。、为边界单元i的向和Y向速度分量；图2浅埋隧道破坏模式分析模型，、为该单元所处边界上的切向和法向速度分为便于分析，将参数及结果作无量纲化，即求解量；0为边界切向与．z轴的夹角。1．4几何约束条件一个临界7Dc值，使掌子面恰好处于塑流刚发生运动单元i的面积为非负值，即：的临界状态，),D／c即为

8、和C／D的函数。2．2计算参数A一[(zlIf—3．)(2．-y3‘『)一(z3，—选取表1所示计算参数，分析内摩擦角、C／Dlz2，)(。，，一y)]／2≥O(5)对掌子面破坏临界系数)，D／c的影响。设y—f(z)为几何边界函数，则该边界上的节点i需满足：表1隧道掌子面稳定性分析计算参数Y，一f(z)(6)参数名称参数值1．5上限有限元运动单元法非线性规划模型D／m10由上限理论建立上限有限元运动单元法的非线C／m1015，20，25，