›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (10): 2837-2846.doi: 10.16285/j.rsm.2015.10.013

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

考虑轴向力和渗透力时圆形隧道广义Hoek-Brown解

许 渊,李 亮,邹金锋,袁 臻   

  1. 中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075
  • 收稿日期:2015-02-27 出版日期:2015-10-10 发布日期:2018-06-13
  • 通讯作者: 邹金锋,男,1978年生,博士,副教授,主要从事岩土与地下工程方面的教学与科研工作。E-mail:zoujinfeng_csu@163.com E-mail:xuyuan0827@163.com
  • 作者简介:许渊,男,1991年生,硕士研究生,主要从事岩土与地下工程方面的科研工作
  • 基金资助:
    中南大学中央高校基本科研业务费专项资金;中南大学硕士研究生自主探索创新项目(No. 2015zzts242)。

Generalized Hoek-Brown solution of circular tunnel considering effects of axial stress and seepage force

XU Yuan, LI Liang, ZOU Jin-feng, YUAN Zhen   

  1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410075, China
  • Received:2015-02-27 Online:2015-10-10 Published:2018-06-13

摘要: 为了研究渗透水压力和轴向应力共同作用时隧道围岩的应力和位移变化趋势,将圆形隧道简化为轴对称模型,假定渗透场以渗透体积力作用在原应力场,以围岩开挖断面为假定平面,引入垂直于该平面的轴向应力。基于广义Hoek-Brown强度准则和非关联流动法则,推导出考虑轴向应力和渗透场共同作用时弹-脆-塑性围岩的应力和位移非线性解,采用数值算例分析了轴向应力和渗透力共同作用时隧道围岩塑性区应力场和位移场的分布规律。计算结果表明:与无渗透水压力作用下的模型相比,渗透力作用使得围岩塑性区各点位移增大,并且内外水头差越大,位移增大越明显。当轴向应力为中主应力时,围岩塑性区半径和塑性区各点应力增大,轴向应力为大主应力和小主应力时,围岩塑性区半径和塑性区应力变化较小。因此,渗透力的存在不利于隧道围岩的稳定性,并且轴向应力的大小对于富水地区隧道围岩的应力和位移分布具有较大影响。在施工设计时考虑渗透力以及轴向应力的共同影响对于保证隧道围岩稳定性具有重要意义。

关键词: 弹-脆-塑性模型, 轴向应力, 渗透力, Hoek-Brown强度屈服准则, 圆形隧道

Abstract: This paper studies the joint effect of seepage force and axial stress on the stress and displacement of circular tunnel. The circular tunnel is simplified as an axisymmetric model and the seepage field is simplified as volumetric force in the stress field. The excavation cross-section of surrounding rock is assumed as a plane as well, and an axial stress perpendicular to the plane is further introduced. Nonlinear solutions for the stress and displacement of circular tunnel are deduced considering the joint effect of axial stress and seepage force, based on the generalized Hoek-Brown failure criterion and the non-associated flow rule in elastic-brittle-plastic rock mass. Numerical simulations are also employed to analyze the distribution of stress field and displacement field in plastic zone of a circular tunnel under the joint effect of axial stress and seepage force. The calculated results show that the displacement in plastic zone increases significantly with the gradient increment of the seepage pressure, compared with the situation without seepage force. The radius and stress of surrounding rock in plastic zone increase when axial stress is the intermediate principal stress, while the radius and stress have less change when axial stress is the major or minor principal stress. It can be concluded that the seepage force has negative effects on the stability of circular tunnel, and the axial stress significantly influences the stress and displacement of the circular tunnel, especially in water-rich areas. Therefore, it is necessary to consider the joint effects of axial stress and seepage force to ensure the stability of circular tunnel in water-rich area.

Key words: elastic-brittle-plastic model, axial stress, seepage force, Hoek-Brown failure criterion, circular tunnel

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