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考虑锚杆作用的深埋软岩隧道黏弹塑性力学响应解析

         
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深埋软岩隧道围岩表现出显著的塑性软化与剪胀特性,而当下的理论分析很少同时考虑这两点,导致预测结果与隧道实际变形行为存在一定误差.为解决该问题,本文基于Kelvin-Voigt流变模型和Mohr-Coulomb强度准则,考虑了塑性阶段时围岩软化与剪胀特征,并引入了掌子面空间约束效应,建立了深埋软岩隧道黏弹-塑性计算分析模型.进一步,为考虑锚杆对隧道围岩的支护作用,在理论模型中,利用等效刚度法建立了加固围岩的力学模型.结合围岩塑性半径与锚杆长度相对关系,给出了6种工况下考虑锚杆加固作用的隧道黏弹塑性力学响应的时效解答.此外,通过数值解与理论结果的对比,理论模型的正确性和有效性得到了较好的验证.最后,为研究锚杆支护对围岩的加固效果,基于理论解答,讨论了锚杆安装时间、锚杆刚度及开挖速度对隧道变形的影响.结果表明:在不考虑锚杆加固作用下,开挖速度仅影响围岩前期变形的发展规律,但对围岩的最终变形量几乎没有影响.若不考虑塑性变形将大大低估围岩变形,造成预测结果与实际情况偏差过大.若隧道开挖速度越快,锚杆的安装应尽量提前,才能保证锚杆有效地发挥限制围岩变形的作用.锚杆刚度与隧道位移存在一种亚线性关系,且锚杆刚度的增加也能够延长围岩进入塑性变形所需的时间.本文的研究结果对相关隧道的设计具有一定的指导作用.

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