基于上限有限元法浅埋隧道围岩破坏模式与失稳机理研究

浅埋隧道围岩稳定性是隧道工程界普遍关心的问题，若隧道围岩发生失稳、坍塌事故，将不可避免地造成大量的经济损失甚至人员伤亡。本项目采用极限分析上限有限元法、模型试验和有限元模拟等多种方法，研究浅埋隧道围岩破坏模式与失稳机理。利用与有限元技术相结合的极限分析上限法能自动搜索出离散区域内部失稳临界状态下的速度场的特点，建立上限有限元线性规划、二次锥规划数学模型和求解格式，进行复杂条件（任意边界条件、多层土体等）浅埋隧道围岩稳定性计算与参数分析，获得围岩破坏模式和内部耗散能分布，界定围岩承载的关键部位与力学薄弱区域，在此基础上揭示围岩失稳破坏的发生机理与扩展规律。同时研究剪切带和应变局部化存在对上限有限元的网格依赖和网格参数的相关关系。最后采用模型试验和有限元模拟与上限有限元结果进行对比验证。本项目的研究将揭示浅埋隧道围岩失稳破坏机理，为围岩加固方案的制定提供相关依据。

浅埋隧道围岩稳定性是隧道工程界普遍关心的问题，若隧道围岩发生失稳、坍塌事故，将不可避免地造成大量的经济损失甚至人员伤亡。本项目采用极限分析上限有限元法、有限元模拟和模型试验等多种方法，研究浅埋隧道围岩破坏模式与失稳机理。.　 在上限有限元理论方面，主要研究内容及成果如下：①建立并实现了基于六节点三角形单元和线性规划模型的上限有限元求解方法；②提出了一种基于单元耗散能权重的自适应上限有限元方法；③提出了一种摩尔-库伦屈服准则线性化方法；④实现了上限有限元非结构化网格建模及分区判断方法，可用于分析复杂边界及岩土体材料条件下的稳定性极限分析；⑤提出并建立了一种基于非线性规划模型的刚体平动运动单元上限有限元方法及求解流程，同时编制了计算程序。.　　利用极限分析上限有限元法能自动搜索出离散区域内部失稳临界状态下的速度场的特点，开展了多种条件下隧道稳定性分析，主要内容有：①盾构隧道挤出破坏上限有限元分析；②浅埋隧道横断面地层稳定性分析；③浅埋隧道纵向稳定性分析；④考虑加固圈的隧道稳定性分析。. 利用本研究建立的基于六节点三角形单元自适应上限有限元法和刚体平动运动单元上限有限元法，研究了浅埋隧道地层精细化破坏模式和内部耗散能分布性态，揭示出地层承载的关键部位与力学薄弱区域，反映了隧道开挖后地层失稳破坏机理，为地层加固方案的制定提供相关依据。