·1026· 北京科技大学学报 第33卷 表2应力路径试验方案 Table 2 Testing programs of stress paths 固结压力终值 应力路径 试件编号 平均主应力，p/kPa 偏应力，g/kPa 应力变化趋势 n=1△o1/△w31 OPA1 200 100 012,032 2.0 OPA2 200 100 017,037 3.0 OPA3 300 150 017,032 4.0 OPBI 100 50 017,03 2.0 OPB2 150 75 17,03 2.0 OPB3 200 100 G1203 2.0 OPB4 300 150 c17,03 2.0 OPCI 100 0 01→03 0.0 OPC2 200 100 01,03 0.0 OPC3 300 150 01→，g3 0.0 OPDI 200 100 01,g3 3.0 OPD2 250 125 13 3.0 OPD3 250 125 01￥03 4.0 OPD4 300 150 1g3 4.0 OPEI 100 50 103 2.0 OPE2 200 100 01,032 2.0 OPE3 300 150 1g3/ 2.0 OPF1 100 50 17,03 0.5 OPF2 200 100 017,032 0.5 OPF3 300 150 017,032 0.5 注：刀为应力增速绝对比 对土层中各点应力状态的跟踪分析，可对地层中典 类基础上，将具有相同特征地层区域归并为一类开 型区域应力的不同变化特征进行分类，得到开挖过 挖作用分区 程中环境土层的不同作用分区.选取粉质黏土地 根据模拟试验中大量样点的应力路径分析，得 层，对全断面无支护工况下应力变化规律进行研究， 出黏土地层隧道开挖环境土层作用分区图见图3. 隧道埋深18m,直径6m,模型边界距隧道边墙取6 在图3中，A区应力服从PA路径，为双向加荷 倍隧道直径，即隧道边界距模型横边界36m,距底 区，分布于两翼上方，造成原因为施工扰动，土体单 边界36m,整体模型尺寸宽度78m,深度为60m,采 元垂直向应力与侧向应力均增大，加荷情况下产生 用天然土层侧压力系数k。=0.625,支护考虑厚 塑性应变：B区应力服从PB路径，为剪切加荷区， 0.25m衬砌，土体和衬砌材料力学参数取值如表4 主要分布在坑壁及其延伸线上，由于开挖的卸荷作 所示. 用，侧向应力加速减小，造成剪切破坏，如支护不当， 根据有限元分析方法，土体模型采用弹塑性 土体产生塑性体应变，是造成隧道开挖过程中隧道 Drucker-Prager准则，跟踪地层中各点应力状态的演 失稳变形、地层位移的主要影响区域：C区应力服从 化，从而研究应力路径的变化规律，依据应力变 PC路径，为侧向卸荷区，主要发生在B区塑性体应 化特征来划分隧道开挖地层作用分区，其主要步骤 变的基础上，土体单元垂直向应力变化较小，侧向应 是：(1)根据模型尺寸建立二维有限元模型，划分网 力缓慢减小，产生塑性体应变，是造成地表下沉的主 格；(2)选取材料工程性质参数，算得每一开挖步网 要影响区域：D区应力服从PD路径，为卸荷区，分 格点及高斯点的应力：(3)取典型样点处应力变化 布在坑底以及顶部区域，坑底上部土体开挖后，上覆 分析，并按照应力变化特征分区：(4)在应力路径分 土压力减小，土体单元垂直向应力减小，侧向应力减北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 表 2 应力路径试验方案 Table 2 Testing programs of stress paths 试件编号 固结压力终值 应力路径 平均主应力，p /kPa 偏应力，q /kPa 应力变化趋势 η = |Δσ1 /Δσ3 | OPA1 200 100 σ1↗，σ3↗ 2. 0 OPA2 200 100 σ1↗，σ3↗ 3. 0 OPA3 300 150 σ1↗，σ3↗ 4. 0 OPB1 100 50 σ1↗，σ3↘ 2. 0 OPB2 150 75 σ1↗，σ3↘ 2. 0 OPB3 200 100 σ1↗，σ3↘ 2. 0 OPB4 300 150 σ1↗，σ3↘ 2. 0 OPC1 100 50 σ1→，σ3↘ 0. 0 OPC2 200 100 σ1→，σ3↘ 0. 0 OPC3 300 150 σ1→，σ3↘ 0. 0 OPD1 200 100 σ1↘，σ3↘ 3. 0 OPD2 250 125 σ1↘，σ3↘ 3. 0 OPD3 250 125 σ1↘，σ3↘ 4. 0 OPD4 300 150 σ1↘，σ3↘ 4. 0 OPE1 100 50 σ1↘，σ3↗ 2. 0 OPE2 200 100 σ1↘，σ3↗ 2. 0 OPE3 300 150 σ1↘，σ3↗ 2. 0 OPF1 100 50 σ1↗，σ3↗ 0. 5 OPF2 200 100 σ1↗，σ3↗ 0. 5 OPF3 300 150 σ1↗，σ3↗ 0. 5 注: η 为应力增速绝对比． 对土层中各点应力状态的跟踪分析，可对地层中典 型区域应力的不同变化特征进行分类，得到开挖过 程中环境土层的不同作用分区． 选取粉质黏土地 层，对全断面无支护工况下应力变化规律进行研究， 隧道埋深 18 m，直径 6 m，模型边界距隧道边墙取 6 倍隧道直径，即隧道边界距模型横边界 36 m，距底 边界 36 m，整体模型尺寸宽度 78 m，深度为 60 m，采 用天然土层侧压力系数 k0 = 0. 625，支 护 考 虑 厚 0. 25 m 衬砌，土体和衬砌材料力学参数取值如表 4 所示． 根据有限元分析方法，土体模型采用弹塑性 Drucker-Prager 准则，跟踪地层中各点应力状态的演 化，从而研究应力路径的变化规律［13］，依据应力变 化特征来划分隧道开挖地层作用分区，其主要步骤 是: ( 1) 根据模型尺寸建立二维有限元模型，划分网 格; ( 2) 选取材料工程性质参数，算得每一开挖步网 格点及高斯点的应力; ( 3) 取典型样点处应力变化 分析，并按照应力变化特征分区; ( 4) 在应力路径分 类基础上，将具有相同特征地层区域归并为一类开 挖作用分区． 根据模拟试验中大量样点的应力路径分析，得 出黏土地层隧道开挖环境土层作用分区图见图 3． 在图 3 中，A 区应力服从 PA 路径，为双向加荷 区，分布于两翼上方，造成原因为施工扰动，土体单 元垂直向应力与侧向应力均增大，加荷情况下产生 塑性应变; B 区应力服从 PB 路径，为剪切加荷区， 主要分布在坑壁及其延伸线上，由于开挖的卸荷作 用，侧向应力加速减小，造成剪切破坏，如支护不当， 土体产生塑性体应变，是造成隧道开挖过程中隧道 失稳变形、地层位移的主要影响区域; C 区应力服从 PC 路径，为侧向卸荷区，主要发生在 B 区塑性体应 变的基础上，土体单元垂直向应力变化较小，侧向应 力缓慢减小，产生塑性体应变，是造成地表下沉的主 要影响区域; D 区应力服从 PD 路径，为卸荷区，分 布在坑底以及顶部区域，坑底上部土体开挖后，上覆 土压力减小，土体单元垂直向应力减小，侧向应力减 ·1026·