土质隧道塑性区研究：实验与数值模拟对比

"这篇论文是关于土质隧道围岩分区规律的研究，主要关注不同跨度对围岩稳定性的影响。通过实验和数值模拟方法，探讨了在砂土这种不利围岩材料条件下，隧道开挖后塑性区和松动区的形成规律。" 在2015年的一篇自然科学论文中，研究人员张坤鹏、曾榕和邢心魁针对土质隧道的围岩分区进行了深入研究。他们使用砂土作为模型材料，模拟不同跨度的隧道开挖后的围岩响应。研究的重点是理解围岩的塑性区和松动区的分布，这两个区域对于隧道稳定性和设计至关重要。 实验结果显示，当选择砂土这种对隧道来说较为不利的围岩材料时，塑性区的厚度大约相当于隧道跨度的一半，而松动区的厚度约为跨度的1/5。其中，洞顶的松动区在塑性区内占据较大比例，显示出顶部稳定性的重要问题。在分析方法上，研究人员采用了两种计算方法：基于Drucker-Prager(D-P)屈服准则的有限元数值模拟和鲁宾涅特(Rubinette)的一般圆形隧洞塑性区半径公式。 通过对实验数据和两种计算方法的比较，发现实验条件下确定的塑性区厚度最大，这可能反映了砂土实际的非线性和局部破坏特性。而基于D-P屈服准则的有限元模拟得到的塑性区次之，这种方法考虑了材料的剪切强度和压应力的关系，相对更接近实际情况。鲁宾涅特公式确定的塑性区最小，该公式是经典理论计算，可能对复杂地质条件的适应性较弱。 关键词包括“土质隧道”、“分区规律”、“数值模拟”、“Drucker-Prager屈服准则”和“莫尔-库伦屈服准则”，表明研究涵盖了隧道工程中的基础理论和计算技术。论文中使用的D-P屈服准则是一种广泛应用于岩土力学的理论，它考虑了材料在剪切和压缩下的整体行为。而莫尔-库伦屈服准则则更多地用于描述材料的破坏特征，如土体的摩擦角和凝聚力。 这项研究提供了对土质隧道围岩分区规律的深入理解，尤其是在不同跨度下的变化，这对于隧道的设计和施工具有重要的指导意义。通过实验和数值模拟相结合的方法，研究者能够更准确地评估隧道开挖对围岩的影响，从而提高工程的安全性和经济性。这些研究成果对于未来类似工程项目的规划和实施具有很高的参考价值。