· 53 · 应变软化围岩受轴向力作用的弹塑性解
中铁十八局渝昆高铁云贵段站前五标 杨谨泽
摘 要:为有效解决轴向力作用下应变软化岩体扩孔问题,本文以渝昆高铁云贵段的乐业隧道工程为依托,基
于M-C屈服准则和广义H-B准则,考虑轴向应力的影响,提出了应变软化岩体扩孔问题弹塑性解。通过将塑性区按
径向应力从内向外依次按照有限同心圆环进行划分,并基于平衡方程和屈服准则确定塑性区的应力和塑性半径,
同时依据非关联的三维塑性势函数,可以得到圆孔扩张的弹塑性应变和位移。本文提出的计算方法不仅考虑了中
主应力及轴向塑性应变的作用,而且可以进一步得到扩孔问题的极限扩孔压力、扩孔过程中应力及位移的变化及
分布情况。最后通过简化方法,将本文计算结果与Vesic的理论结果进行对比,有效验证了本文提出的考虑轴向力
作用下的应变软化岩体扩孔问题弹塑性解的合理性。
圆柱孔扩张理论已被广泛研究并应用于复杂岩土问题的建模,如基础承载力的确定,围岩稳定性分析和基于压力
计测试的土体参数信息表征。许多研究人员也提出了基于Mohr-Coulomb和Hoek-Brown准则的解析解及半解析
解,并解决了许多工程问题。Vesic提出了用于计算扩孔问题应力和位移的解析解;Yu等在Vesic的基础上,进一步发展
了扩孔问题在应力和位移解上的适用范围,得到了适用于土体扩孔问题的弹塑性解;Collins等、Cao等进一步完善了
Vesic理论,提出了适用于解决岩体扩孔问题的弹塑性解,有效扩大了Vesic理论在工程上的适用范围,并在相关隧道
工程中得以有效应用。但纵观上述研究,虽然已经提出了基于弹塑性和临界状态模式的扩孔问题的解析计算方法,并
有效解决了相关领域的工程问题,但很少有文献集中讨论圆孔扩张问题中平面外应力的影响,特别是对于考虑轴向应
力及应变的准平面应变软化问题,所涉及的理论研究及成果则相对匮乏,不利于工程上遇到该类似问题时的有效解决
和指导方案的确定,以及不利于完善扩孔问题的相关理论成果,因此基于准平面应变软化考虑轴向应变及应力的扩孔
问题的研究是十分必要的。
在工程实践中,如果地层是均质,各向同性和多孔岩体,那么等距离划分是非常随意的。在这种情况下,必须考虑
平面外压力的影响。对于这种情况,任何分析都将在考虑到平面外应力的单位划分厚度的二维平面中进行。在上述情
况下,忽略平面外应力可能会导致圆孔扩张问题中的明显误差。在本文所提出的方法中,采用基于M-C和广义H-B破坏
准则的三维塑性势函数,可有效改进考虑准平面应变软化行为的数值逐步计算法,针对土体或岩体的三维力学特性可
在分析圆孔扩张问题时应予以适当考虑。因此,本文以渝昆高铁云贵段DK���+���.��~DK���+���里程内的乐业隧
道工程为例,提出了考虑轴向应力及应变的圆孔扩张问题力学分析新方法,并给出了相应的考虑轴向应力及应变计算
方法。