岩土力学 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (4): 1412-1419.doi: 10.16285/j.rsm.2019.0659

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非均质黏土地层隧道开挖面稳定运动 单元上限有限元分析

杨峰1, 2，何诗华1，吴遥杰1，计丽艳1，罗静静1，阳军生1, 2   

  1. 1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 中南大学 重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙 410075
  • 收稿日期:2019-04-14 修回日期:2019-07-05 出版日期:2020-04-11 发布日期:2020-07-02
  • 通讯作者: 阳军生，男，1969年生，博士，教授，主要从事隧道与地下工程方面的研究。E-mail: jsyang@csu.edu.cn E-mail:yf5754@.csu.edu.cn
  • 作者简介:杨峰，男，1981年生，博士，副教授，主要从事隧道与地下工程方面的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金（No. 51878669）

Tunnel face stability analysis by the upper-bound finite element method with rigid translatory moving element in heterogeneous clay

YANG Feng1, 2, HE Shi-hua1, WU Yao-jie1, JI Li-yan1, LUO Jing-jing1, YANG Jun-sheng1, 2   

  1. 1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410075, China; 2. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Railway of Ministry of Education, Central South University, Changsha, Hunan 410075, China
  • Received:2019-04-14 Revised:2019-07-05 Online:2020-04-11 Published:2020-07-02
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51878669)。

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摘要： 将刚体平动运动单元上限有限元方法（UBFEM-RTME）与程序作进一步改进，使之适应分析非均质黏土地层稳定性问题。应用该程序系统分析了地表超载作用下非均质黏土地层隧道开挖面稳定性，获得了隧道埋深比C/D、土体重度参数?D/cu0、土体强度非均质参数?D/cu0等因素综合影响下开挖面失稳临界荷载上限解?s /cu0图表和以有效间断线网表征的地层破坏模式及其演变规律。研究表明：隧道埋深比C/D和强度非均质参数?D/cu0对临界荷载?s /cu0及地层破坏模式影响显著；土体重度参数?D/cu0对?s /cu0影响明显，但对破坏形态影响不大。进一步展示了不同有效间断线数目及分布等网格参数下地层破坏形态的差异，解释了上限解精度提高的原因，与多块体上限法及上下限有限元法对比表明，UBFEM-RTME适宜于非均质黏土地层隧道开挖稳定性评价研究，特别是极限状态破坏模式的分析。

关键词: 隧道开挖面稳定, 非均质黏土, 上限有限元, 临界荷载, 破坏机制

Abstract: The upper-bound finite element method with rigid translatory moving elements (UBFEM-RTME) is further improved to optimise its suitability for analysing the stability in heterogeneous clay. The method is applied to investigate the stability of the tunnel face in undrained clay layer subjected to surface surcharge. The variation of stability load ?s /cu0 and the morphological characteristics and discipline of the effective discontinuities mechanism are obtained for various combinations of dimensionless buried depth ratio C/D, dimensionless gravity parameter ?D/cu0 and the heterogeneous parameter ?D/cu0. The results reveal that C/D and ?D/cu0 have a significant effect on ?s /cu0 and failure mechanism. ?D/cu0 has a great influence on ?s /cu0 but has little effect on failure mechanism. Furthermore, the UBFEM-RTME is used to show the changes of mesh failure modes under different mesh parameters such as the number and distribution of effective discontinuities, and the reasons for improving the accuracy of the upper bound solution are also explained. The applicability of UBFEM-RTME in heterogeneous clay, especially the analysis of failure mode under the limit state, is verified in comparison with the existing rigid-block upper-bound limit analysis methods and finite element bound method.

Key words: tunnel face stability, heterogeneous clay, upper-bound finite element, critical load, failure mechanism

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