隧洞及地下工程的受力分析是土木工程研究的一个重要领域,隧洞开挖模型可以简化为与孔扩张相同的平面应变圆形轴对称模型,可以运用孔扩张理论对隧洞工程进行深入的研究。孔扩张理论可以通过简单、实用的方法解决很多复杂岩土力学问题,可合理解释土体原位试验结果,被广泛应用于隧道和地下开挖分析等实际工程问题中。忽略塑性变形区的弹性变形,相对简化了孔压力和孔变形之间的关系,对于内摩擦角和剪胀角比较大、弹性刚度比较小的土体,其影响尤为重要。采用不同的强度准则对扩孔问题的理论解影响较大,考虑中间主应力能更大程度发挥材料的强度潜能。本文在考虑中间主应力影响下,关于扩孔问题理论解及其在水工隧洞方面的应用,所做的主要研究内容和结论如下:(1)基于统一强度理论,考虑软化特性和剪胀特性的影响,分别根据塑性区小变形和塑性区大变形推导了扩孔过程中的塑性区半径和极限扩孔压力的理论解。针对小变形的扩孔问题,考虑了塑性区弹性应变的影响,对内摩擦角和剪胀角比较大的土体更适用。对于基于塑性区大变形得到的理论解,考虑了变形对材料中点的位置影响,预测极限扩孔压力更准确一些。得到的统一解为柱形孔问题的解答提供了理论依据,对工程设计有参考价值。(2)采用与柱孔扩张问题相同的简化开挖模型,基于双剪统一强度理论和三剪强度准则,考虑中间主应力、渗流、剪胀、软化和塑性区弹性模量等因素的影响,所得隧洞施工期和运行期塑性区位移公式包含了五种因素的综合影响。该位移统一解在各参数取值不同时,可退化为已有文献和未见发表的解答,根据具体的工程实例可合理选择参数的值;经与已有文献的比较,进一步验证了该理论解的正确性,并分析了两种强度理论下中间主应力参数的区别。(3)运用ABAQUS有限元软件,进行了圆锥静力贯入实验的模拟,给出了贯入仪在下沉过程4个不同阶段土体的变形图,以及贯入过程土体沿着径向和深度方向两条路径下的应力曲线和位移曲线,并分析了剪胀、粘聚力和内摩擦角对应力和位移的影响规律。