厚壁圆筒在隧道里的应用

1、厚壁圆筒在隧道里的应用圆筒是构成压力容器和管道的最基本元件。在使用R6方法的压力容器和管道结构完整性评估过程中，含缺陷圆筒的极限载荷是一个非常重要的输入参量。目前，复合载荷作用下含周向缺陷薄壁圆筒的极限载荷解已经较为完善。然而，在内压和其它载荷作用下含周向缺陷厚壁圆筒的极限载荷解却仍然非常的缺少。本文为了发展内压和轴向力联合作用下含周向整圈等深裂纹厚壁圆筒的极限载荷解，主要研究内容如下： 考虑了厚壁圆筒应力分布的不均匀性以及厚壁圆筒的几何特性，基于VonMises屈服准则，给出了内压和轴向力共同作用下的厚壁圆筒极限载荷表达式。所给出的理论解与各种径比和载荷比例下的有限元解符合的非常好。同时，还

2、与现有的一些理论解做了比较，结果表明，本文所给出的理论表达式是最精确的。 考虑了厚壁圆筒应力分布的不均匀性以及厚壁圆筒的几何特性，基于Mises屈服准则给出了含周向内表面等深裂纹(密封和开口)厚壁圆筒在内压和轴向力共同作用下的极限载荷计算公式。所给出的理论解与各种径比、裂纹深度以及载荷比例下的有限元解经过比较，结果表明，两种情况下理论解与有限元解的误差都在-20以内且偏于保守，可为工程应用提供依据。 考虑了厚壁圆筒应力分布的不均匀性以及厚壁圆筒的几何特性，基于VonMises屈服准则，提出了内压和轴向力共同作用下的含周向等深外表面裂纹厚壁圆筒极限载荷表达式。所给出的理论解与各种径比、裂纹深度以

3、及载荷比例下的有限元解经过比较，结果表明，其理论解与有限元解的误差在-30以内，给出偏保守的理论结果，具有一定的工程应用价值。壁厚对厚壁圆筒的极限载荷的影响厚壁圆筒是工程中一种重要的结构,对其进行极限分析,对工程应用具有重要的意义. 因为不仅为工程应用提供了理论依据,而且能更充分地发挥材料的潜力. 以前,对其进行极限分析主要是采用Tresca 屈服准则、Mises 屈服准则和双剪应力屈服准则,如文1 ,2 等. 当采用Tresca 屈服准则进行塑性分析时,没有考虑中间主应力2对材料强度的影响;而采用Mises 屈服准则进行塑性分析时,由于它的非线性带来了数学上的求解困难;而采用双剪应力屈服准则

4、进行极限分析,没有考虑材料的SD 效应. 采用双剪统一强度理论对工程结构进行塑性极限分析具有许多优势,概括地说,主要有以下优点: (1) 因为双剪统一强度理论的条件式是各主应力的线性表达式,所以,克服了求解过程中的非线性问题;(2) 求得的解可以灵活地考虑材料的拉压异性和同性问题;(3) 考虑了第二主应力对强度的影响;(4) 按双剪统一强度理论求得的解可以用于适用于不同强度准则的材料. 因此,双剪统一强度理论的应用将越来越广泛. 从双剪应力屈服准则的提出到双剪统一强度理论的形成已经取得了很大的成就,如文36 等. 本文采用双剪统一强度理论对厚壁圆筒进行塑性极限分析,得到了极限载荷之间的关系式,

5、并且,进一步分析了厚壁圆筒的壁厚对塑性极限载荷的影响,从而获得了不同壁厚极限载荷曲线以及相对壁厚对极限载荷的影响曲线,为工程应用提供了分析计算的理论依据.1 双剪统一强度理论双剪统一强度理论是一种体现了材料的拉压异性和同性,不同中间主应力效应以及能够适用于不同屈服准则的一种强度理论. 其统一表达式为:式中: b ( (0 b 1) ) 为反映中间主应力的系数. 当它取不同的值时, 双剪统一强度理论就成为了不同强度准则. 因此,双剪统一强度理论包含了不同的屈服准则.为拉伸极限强度s 与压缩极限强度c 之比.当= 1 , b = 0 ,0. 5 和1 时,可分别得到Tresca 屈服准则,线性逼近

6、的Mises 屈服准则和双剪应力屈服准则. 双剪统一强度理论在平面上的屈服线图形如图(1)所示. 由图可知:双剪统一强度理论形成了一个外凸曲线. 从下限到上限覆盖了域内所有区域的系列化的理论. 因而,可以十分灵活地应用于各种不同的情况.2 厚壁圆筒的极限载荷计算式设厚壁圆筒的内、外半径分别为R0 、R ,当它受均匀内压q 及轴向载荷P 时,厚壁圆筒内的任意一点处于三维应力状态. 由于轴力允许是拉力或压力,故z , 和r 的排列次序有下列:z r , zr 、r z 三种情况以及介于z r 与 z r 之间和介于 z r 与 r z 之间二种情况. 按以上五种情况,把双剪统一强度理论的条件式与应

7、力平衡方程联立,并且利用边界条件,即可求得以上五种情况下极限载荷之间的关系式:2. 1 在z r 的情况下求其极限载荷之间的关系式2. 2 在r 的条件下求其极限载荷之间的关系式2. 3 当z () min和z () max时求其极限载荷之间的关系式因为沿半径方向的值是随着r 的增大而逐渐增大的,故当r r0时,三维应力之间存在关系:r ;当r r0 时,z v r . 按此条件,可求得其极限载荷之间的关系式为:2. 4 在 r z 的条件下求其极限载荷之间的关系式如果z = P/A q 和|z | q. 在第一种情况下,则有: r z . 在第二种情况下,厚壁圆筒中必存在有一个半径为r0 的

8、圆柱面,z =r . 当r r0 时,r z .2. 5 当z = P/A 0 , |z| q 时,求其极限载荷之间的关系式3 壁厚对厚壁圆筒相对塑性极限载荷线图的影响3. 1 厚壁圆筒的相对极限载荷之间的关系式以上给出了五种情况下的厚壁圆筒的塑性极限载荷q、P 之间的关系式. 为了更直观地表明塑性极限载荷q、P 之间的关系和分布情况,以及壁厚对极限载荷的影响, 将塑性极限载荷改变成无量纲的形式:取5 q/ As ;同时,为了便于分析,取 = 1 , b = 0. 5 分别代入2、3、4、5、6、7、8 和9 等式,可得一组关于,的方程,如下面的(10) 式 (17) 式:3. 2 厚壁圆筒的

9、相对极限载荷线图在、直角坐标系下,分别画出每个方程所对应的曲线(分别取= 1. 5 ,2 ,2. 5) ,就可获得其屈服状态下,相对极限载荷、的三种线图如图(2) 所示. 图中所示的曲线1、2、3、4、5 和6 分别代表方程(10) 、(16) 、(12) 、(17) 、(14) 和(15) 的图像. 根据此极限应力线图,考虑三维应力之间的关系所构成的对q、P 之间的限定条件,就能根据q、P 之间的变化规律(或取的值) 判断厚壁圆筒是否达到屈服极限状态. 当极限载荷q、P 所对应的相对极限载荷、所构成的坐标点落在封闭区域内时,则表示厚壁圆筒没有整体达到屈服极限应力状态;当、所构成的坐标点落在曲

10、线上或封闭区域外时,则表示厚壁圆筒已经整体达到屈服极限应力状态. 在极限应力线图中,2 所表示的曲线是四次曲线;4 所表示的曲线是二次曲线,其余曲线均为直线.3. 3 分析相对壁厚对极限载荷线图的影响由图(2) 可知:随着的增大,极限曲线明显的向上移. 这就意味着在相同的相对轴向载荷下,要使厚壁圆筒整体达到屈服状态,随着壁厚的增加,需要的内压力将更大. 随着的增大, 封闭区域的面积增大,厚壁圆筒整体达到屈服状态更难,这与厚壁圆筒屈服的实际情形是相吻合的. 随着的增大, 曲线6 的斜率明显增大,这表示当偏离- 1 相同量的情况下,增长将更快. 如果保持厚壁圆筒处于塑性极限状态下, 当 0 , 并

11、且接近于1 时,的增大, 会增大厚壁圆筒承受轴向载荷的能力,此时,可以大于1 ;在极限载荷线图上,表现为三角形ABC 区域的面积的增大;随着相对壁厚的增大,此区域的面积会增大. 相对壁厚对极限载荷线图中轴上左、右两端点的值没有影响,但与轴上的交点的位置,随着的增大而向上移动.图2 厚壁圆筒塑性极限载荷线图3. 4 相对壁厚对相对载荷的影响图3 相对壁厚对相对载荷的影响曲线 图4 相对壁厚对相对载荷的影响曲线为了分析公式(10) 公式(17) 中,相对壁厚对相对极限载荷的影响,根据极限应力线图中每段曲线所在的不同位置,先取定的一个可能值. 在式(10) 式(17) 中,取的值分别为:1. 05

12、,0. 5 ,0. 3 ,0. 3 ,- 0. 5 , - 0. 9 ,0. 9 , - 0. 3. 将其值分别代入相应的方程中,然后,考察与之间的关系. 为了更清楚地表明与之间的关系,将函数式(10) 式(13) 的图像绘出在图(3) 中, 将函数式(14) 式(17) 的图像绘出在图(4) 中. 这些曲线就反映了相对壁厚对相对内压力的影响程度.从图中可知:在厚壁圆筒整体处于屈服状态下,随着相对壁厚的增大,相对内压力也会增大.但是,增大的速度是各不相同的,增大最快的是式(10) ,式(12) ,式(13) ,式(14) 和式(17) ;增大比较快的是式(15) ;增大非常缓慢的是式(11)

13、和式(16) . 增大速度的快慢,说明了相对壁厚对相对内压力的影响程度. 因此,相对壁厚对式(10) ,式(12) ,式(13) ,式(14) 和式(17) 影响最大;对式(15) 影响比较大;对式(11) 和式(16) 影响比较小.4 结论a. 采用双剪统一强度理论与应力平衡方程相结合的方法,分析了三维应力状态下厚壁圆筒的极限载荷,获得了整个厚壁圆筒达到屈服极限状态时外载荷之间的关系式. 由此可知:利用双剪统一强度理论,在三维应力状态下,考虑第二主应力对塑性极限的影响以及材料的拉压异性和同性,能够获得极限载荷的精确解.b. 用相对载荷:= q/s ,= P/ As 代表外载荷,并且设= 1

14、, b = 0. 5 ,通过对整个厚壁圆筒达到屈服状态时外载荷之间的关系式进行分析,获得了相对载荷之间的关系式. 这些关系式在、直角坐标平面上形成了一个外凸的封闭的极限载荷线图. 按= 2. 5 ,2 和1. 5 ,绘制了厚壁圆筒三种极限载荷线图. 由图可知:不管取什么值,若= 0 时,如果 0 ,则整个厚壁圆筒达到塑性极限状态时,为- 1;如果 0 ,则整个厚壁圆筒达到塑性极限状态时,为1. 这与材料屈服时的情况相符合. 但是,若分别取2. 5 ,2 和1. 5 ,为0 ,则相应地为1. 071 6 ,0. 779 8 和0. 434 2. 若、的坐标点位于图(2) 中的ABC 区域内时,虽

15、然 1 ,但整个厚壁圆筒并不一定进入塑性极限状态. 即在此区域内,的增大,可以大于1. 随着的增大, ABC 区域增大;极限载荷线图的封闭区域增大.c 在相对极限载荷的关系式中,根据极限载荷线图,取定一个可能值并将此值代入其中,即可得到与的关系式. 在与组成的直角坐标系下,绘出与的关系曲线,即为相对壁厚对相对载荷(内压力) 的影响曲线. 该曲线反映了相对壁厚对相对载荷(内压力) 的影响程度. 在整个厚壁圆筒达到屈服极限状态的条件下,相对壁厚增大,相对内压力会增大.新奥法是一个具体应用岩体动态性质的完整的力学概念(或者说是一种隧道工程概念) , 是按科学制定的并已为实践所证明的原则和思想去修筑隧

16、道。其主要意图是充分调动岩体自身的承载能力, 使隧道施工更安全,更经济, 科学性过去的隧道修筑方法高, 因而不能单纯地将它看成是一种施工方法或支护方法, 也不能片面理解, 将仅用锚喷支护或运用新奥法部分原理施工隧道, 就认为是采用新奥法修建。（1）隧道是衬砌混凝土和围岩的整体化结构物, 从根本上讲, 起到隧道支护作用的是围岩。(2)开挖作业多采用光面爆破和预裂爆破, 并尽量采用大断面或较大的断面开挖, 以减少对围岩的扰动, 保证围岩起到支护作用,在开挖时必须不破坏围岩的原有强度, 极力防止围岩松弛。尽可能避免围岩处于单轴或二轴应力状态。(3)隧道开挖后, 尽量利用围岩的自身能力, 充分发挥围岩

17、自身的支护作用。 采用喷射混凝土及时封闭开挖表面, 能有效地防止围岩松动。(4)根据围岩的特征采取不同的支护类型和参数, 及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆初期支护, 以控制围岩的变形和松驰。防止得越好, 安全性和经济性就越高。(5)衬砌要在恰当的时候进行, 控制时间, 太早或太迟都不行。支护的刚度要适宜,太硬不行, 太柔软也不行, 同时必须使用能发挥围岩强度的支护形式。(6)在软弱破碎围岩地段, 使断面及早闭合, 以有效地发挥支护体系的作用, 保证隧道的稳定。(7)为了把握衬砌时机, 要正确了解围岩的时间因素, 在事先进行室内试验的同时, 在隧道内进行变位测定, 掌握各类围岩的稳定时间

18、和变形速度。 因此, 进行变位和变形量测是新奥法必不可少的工序。(8)预计围岩有大的变形和松驰情况时,全部开挖表面要做防护, 以约束围岩, 最合适的办法是喷混凝土。(9)衬砌必须是薄层的, 这是为了减少弯矩, 使因弯矩产生的破坏减到最小。 不仅一次衬砌要薄, 二次衬砌同样也要薄, 对于衬砌需要加强的地方, 不采用加厚衬砌的办法, 而是用钢筋网、 钢支护或锚杆来加强。(10)隧道是一个厚壁圆筒, 即由围岩支承环和支护(衬砌)组成的结构, 所以必定是存在围岩和支护的相互作用, 也就是说衬砌和围岩是相互支持的结构。(11)圆筒只有在没有封口时能起力学上的 “圆筒作用” , 所以, 衬砌闭合成环是特别

19、重要的, 底板自身不能起闭合环作用。因此, 除了围岩特别坚硬认为没有必要设闭合环的情况之外, 都应该设仰拱。(12)围岩的动态主要取决于衬砌闭合时间, 因此, 采用台阶开挖时, 上下两部开挖距离不宜太大, 掘进的速度要相适应。(13)隧道从应力重分布的角度考虑, 采用全断面开挖非常有利, 若用分布开挖, 则会使岩层的应力反复重新分布, 围岩因之受到破坏。(14)尽量使隧道断面周边轮廓圆顺, 避免棱角突变处应力集中。(15)二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的, 围岩和支护结构形成一个整体, 因而提高了支护体系的安全度, 并不增加衬砌厚度。在有涌水时,要考虑整个衬砌的稳定和

20、锚杆防腐问题。(16)通过施工中对围岩和支护的动态观察、 量测, 合理安排施工程序, 进行设计变更及日常的施工管理, 测定衬砌的内应力或围岩与衬砌接触部位的应力以及前述的位移、变形, 有助于更正确的设计和施工。施工方面 (1)由于是通过量测定期检查围岩的动态, 所以可以防止塌落事故的发生。(2)一般掘进可按全断面或台阶法进行,不需要复杂的扩挖, 这样, 便可使用大型施工机械, 同时, 由于工作面集中, 使得作业相互干扰得以减少。(3)不使用护顶木插板, 减少了洞内发生火灾机会, 不使用沉重的H 型钢支护, 也不用花时间去插打护木板。从而减少了作业人员的劳动强度。 由于作业单纯, 增加了施工机械

21、化的可能性。(4)锚喷支护的效果要比用拱架加背柴的支护效果好, 因为后者仅仅是 “点” 支护, 锚喷支护则为 “面” 支护, 故增大了安全度。(5)与盾构法、 掘进机法相比, 新奥法对地质变化的适应能力要高得多。(6)二次衬砌一般可采用先墙后拱法施工。(7)防水施工比较容易。结构的耐久方面(1)由于衬砌与围岩成为一体, 其间没有空隙, 故能防止因漏水和冰凌等引起的危害。(2)由于衬砌及时封闭成环, 故能防止围岩挤压引起的衬砌和基床变形。经济方面单从造价来看, 目前新奥法要比矿山法高, 但就新奥法推广以来自己与自己比较, 其造价在逐渐下降, 这表明, 随着技术的熟练和设备改善, 新奥法的成本是能

22、够降下来的, 必将取得合理的经济效果。如果从结构的耐久性和运营后的维修保养费用来看, 特别是以对节省我国紧缺的木材情况来看, 采用新奥法确实有利。对于任何一种施工方法 都不会也不可能是万能的, 新奥法也不例外, 它也有一定的适用范围。 如前所述, 新奥法是通过现场的量测管理, 积极有效地利用围岩和自稳能力建造隧道的一种方法, 就是说, 采用新奥法的先决条件是围岩具有一定的自稳能力。 因此, 遇到以下情况应用新奥法是有困难的:(1)漏水量大的石灰岩溶地段, 粘土层和断层破碎带;(2)喷混凝土无效的含卵石的粘土层;(3)锚杆不能打入的岩层;(4)不能自稳的砂、 砂砾层等。这就要求在隧道施工前要进行

23、地质检查, 做好应急准备, 在施工中要做好地质超前探, 根据预测结果及时调整施工方法, 必要时采取地层预注浆、 管棚超前支护等辅助措施。厚壁圆筒在软岩大跨隧道施工中应用技术探讨软岩隧道特性软岩强度一般小于 30 MPa, 具有孔隙率大、 胶结性差、 变形性大、 蠕变现象特性, 常发生掉块、 膨胀、 挤压、 滑动破坏, 破坏方式多,变形速度快, 持续时间长,范围大, 来压快。大跨隧道特性1)开挖后的应力重分布变得不利。2)底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力。3) 拱顶不稳定。若开挖宽度大于2 倍高度, 则需要采用其他的有效措施, 保证拱顶的稳定。4)会产生较大的松弛地压。在埋深小, 拱不

24、能发挥作用时, 就会产生很大的松弛地压,产生较大的松弛荷载。5)支护结构的承载力相对较小。跨度越大,扁平形状的拱形支护结构的承载力越小。2. 3 影响软岩大跨隧道围岩稳定性的因素1)地质因素:主要为岩体结构、 裂隙分布以及特殊地质条件,如当隧道穿过断层破碎带、 强风化带、 岩溶地区时,往往地下水活动强烈, 有强烈的地压现象,围岩属松软破碎的散体结构。2)地应力:在软岩中围岩应力重分布后会产生较大的塑性区及松动区,引起围岩随时间而增长的大变形, 挤压破坏。在洞顶表现为塌落, 在侧帮产生挤压和溃曲性破坏, 在底板产生底鼓等。3)岩体力学性质:如各向异性、 塑性、 扩容性、 膨胀性、 流变性等都对围岩的稳定有重要影响。4)工程因素: 断面、 施工方