【摘 要】
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对于隧道工程来说,施工期间毛洞持续变形、衬砌受力逐渐增大、隧道长期稳定是工程中的关键问题,这些问题都涉及到了材料的应力或应变随时间发生变化的情况。传统的弹塑性力学理论无法描述材料的时变特性,因此应该从流变力学的角度对隧道进行研究。工程中隧道开挖后施加支护力需要一定的时间,目前理论研究中对支护力的简化与实际有较大出入。因此在建立隧道力学模型时,有必要考虑到支护力的滞后性。岩土材料在剪应力的作用下会产
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对于隧道工程来说,施工期间毛洞持续变形、衬砌受力逐渐增大、隧道长期稳定是工程中的关键问题,这些问题都涉及到了材料的应力或应变随时间发生变化的情况。传统的弹塑性力学理论无法描述材料的时变特性,因此应该从流变力学的角度对隧道进行研究。工程中隧道开挖后施加支护力需要一定的时间,目前理论研究中对支护力的简化与实际有较大出入。因此在建立隧道力学模型时,有必要考虑到支护力的滞后性。岩土材料在剪应力的作用下会产生体积变化,在分析岩土材料的应力及变形时,材料的剪胀性也是一个不可忽略的问题。本文以理论分析为主数值模拟为辅,对支护力-围岩力学模型进行了探讨。基于Drucker-Prager屈服准则和元件本构模型,对隧道开挖后围岩的应力场及位移场进行了分析。主要研究成果如下:（1）对支护力的力学模型进行了探讨。基于考虑支护力滞后性的弹塑性围岩力学模型,从理论上对支护力滞后作用时围岩塑性区的加卸载进行了判断,结果表明施加主动支护力后围岩塑性区为卸载。通过FLAC 3D数值模拟对上述理论判断进行了验证。（2）基于西原模型和Drucker-Prager屈服准则,考虑到塑性区的剪胀特性,推导了圆形隧道开挖后围岩的塑性区半径、应力和位移理论解。当剪胀角等于零时,这些解答转化为体积不变假设下基于Mohr-Coulomb屈服准则和西原模型的黏弹-黏塑性解。对比分析了黏弹-黏塑性位移解和黏弹-塑性位移解。分析了剪胀角对围岩塑性区半径、应力场和洞壁位移的影响。围岩达到稳态之前,剪胀角对围岩应力场和塑性区半径影响较小,对洞壁位移影响较大。围岩的稳态应力场和稳态塑性区半径与剪胀角的取值无关。稳态洞壁位移随着剪胀角的增大有较为明显的增加。黏塑性特性对围岩的稳态应力没有影响,对围岩的稳态洞壁位移有较大的影响。剪胀角较大时,应考虑到围岩塑性区的黏性,否则会低估围岩稳态洞壁位移。（3）基于广义Kelvin体与塑性元件串联模型,选用Drucker-Prager屈服准则,考虑到塑性区的剪胀性以及支护力的滞后性,推导了圆形隧道开挖后围岩的应力和位移理论解。分析了支护力作用时机对洞壁位移的影响。结果表明滞后支护能够充分释放围岩的变形能,而及时支护能够更好地控制围岩洞壁位移。
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