基于不连续布局优化方法的单洞隧道围岩稳定性分析

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稳定性问题在岩土工程中尤为重要,因为可以通过稳定性分析评估岩土结构的安全程度。不连续布局优化(DLO)方法成为求解稳定性问题的有效数值工具。然而,DLO在岩土稳定性问题中的应用仍然有限。
  在本文工作中,利用DLO法分析了单个隧道的围岩稳定性。根据形状、地面角度和接缝的差异,将其分为三类。通过利用岩土工程分析软件LimitState:Geo在平面应变条件下模拟了整个问题。在参数研究和数值调研的基础上,总结讨论了不同参数对隧道稳定性的影响,并对隧道破坏机理进行了分析。
  根据分析结果,主要得到以下主要结论:
  (1)马蹄形、圆形和正方形隧道均质岩体的稳定性和破坏机理对摩擦角和无量纲深度较为敏感。稳定性通常随着摩擦角的增加而增强,但当φ′<35°时,其随隧道的无量纲深度而降低。因此,当φ′≥35°时,无量纲深度对稳定性没有重要影响。另外,由于形状而导致的截面积差异也会产生不同的稳定性结果。马蹄形隧道的稳定性确实大于方形隧道的稳定性,但小于圆形隧道。这是因为截面积的差异。另一方面,这种破坏机制是对称形式的。在相同深度下,随着摩擦角的减小,失效范围的宽度会变大。对于相同的摩擦角,当φ′≤35°时,随着无量纲深度的增加,失效范围的宽度和高度都会变大,而当φ′>35°时,失效范围的大小几乎与深度相同。此外,隧道的形状也会影响塌方的发展。破坏机理表明,正方形的坍塌总是发生在拐角处,与摩擦角和无量纲深度无关。与正方形相反,圆形的塌陷沿着隧道的拱形变化,与摩擦角和无量纲深度的值有关。
  (2)对于水平地面和倾斜地面的情况,马蹄形隧道均质岩体的稳定性仅在β≤45°时才相似。在大多数情况下,当β>45°时,无量纲深度对稳定性的影响就较小。通常,隧道的稳定性随着地面倾斜角的增加而降低。而对于β≤45°的情况,当摩擦角φ′>45°时,稳定性会有细微的差别。对于倾斜地面的情况,大多数破坏机理变得不对称,并且随着倾斜角的增加,破坏范围逐渐变大。
  (3)对于水平地表情况,当节理间距s1≥9m时,对于所有节理倾角,马蹄形隧道的周围节理岩体和均质岩体之间的稳定性行为相似。当节理间距变窄时,s1≤6m,当α1<45°且φ′≤25°时,无量纲深度会影响隧道的稳定性,而当α1≥45°时,无量纲深度影响较小。在大多数情况下,隧道的稳定性通常会随着节理倾角的增加而降低,除某些情况外,尤其是当60°≤α1≤90°时。此外,当α1>45°时,节理间距的增加或减小可能不会影响稳定性。另一方面,当α1=0和90°时,马蹄形隧道围岩节理破坏机理为对称形式。当0<α1<90°时,它们是不对称形式。
  (4)DLO的结果通常低于上限分析,但高于有限元上下限分析结果。本文使用的DLO法与现有文献使用的有限元上限分析之间的结果差异与网格生成质量以及数学优化(线性或非线性规划)有关。尽管存在细微的差异,但是本研究的结果与现有文献的结果非常吻合。
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