تحلیل پایداری تونل ها با در نظر گرفتن نیروی وزن و سختی پوشش

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسنده

مرکز آموزش عالی استهبان، استهبان، ایران

چکیده

در ترسیم منحنی های روش همگرایی-همجواری برای تونلها همگرایی دیواره جانبی، سقف و کف ممکن است متفاوت باشد. دلیل آن وزن توده سنگ ناحیه پلاستیک یا گسیخته شده پیرامون تونل است. در این مقاله یک روش نیمه تحلیلی برای استخراج منحنی های پاسخ زمین و مشخصه پوشش برای یک تونل دایره‌ای حفاری شده در توده سنگ الاستوپلاستیک با رفتار کرنش نرم شونده ارائه می‌شود. در روش ارائه شده از معیار تسلیم و تابع پتانسیل پلاستیک مورکولمب برای توده سنگ استفاده می‌شود. شرایط متقارن محوری فرض می‌شود تا تأثیر وزن ناحیه پلاستیک بررسی شود. وزن توده سنگ پلاستیک به شکل یک نیروی گسترده شعاعی در نظر گرفته می‌شود. این نیرو در امتداد های مختلف مقدار متفاوتی دارد. دو دیدگاه متفاوت پوشش انعطاف‌پذیر و پوشش انعطاف‌ناپذیر برای مدلسازی پوشش بتنی و اعمال سختی آن ارائه می‌شود. در دیدگاه پوشش انعطاف‌پذیر تأثیر پوشش به صورت یک فشار یکنواخت داخلی در نظر گرفته می‌شود که به سطح داخلی توده سنگ وارد می-شود و در دیدگاه پوشش انعطاف‌ناپذیر پوشش به شکل یک استوانه جدار ضخیم الاستیک در نظر گرفته می‌شود. با ترکیب این دو دیدگاه می-توان اثر سختی پوشش را اعمال نمود. معادلات حاکم را نمی‌توان به صورت تحلیلی حل نمود، بنابراین از روش تفاضل محدود برای حل آنها استفاده می‌شود. از چندین مثال مشروح برای نشان دادن کارایی روش ارائه شده و بررسی بار گرانشی استفاده می‌شود. نتایج بدست آمده با روش ارائه شده نشان می‌دهد که بار گرانشی بر پایداری تونل بسیار مؤثر است به خصوص در شرایطی که ناحیه پلاستیک بزرگی پیرامون تونل شکل بگیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

STABILITY OF TUNNELS CONSIDERING THE GRAVITY LOADING AND THE LINING STIFFNESS

نویسنده [English]

  • Mohammad Reza Zareifard
Estahban higher education center
چکیده [English]

In deriving the convergence –confinement method curves for a tunnel, convergences of side wall, roof and floor may be different, because of the weight of the failed or plastic rock mass. In this paper, a semi-analytical method of the ground response curve and the lining characteristic curve for a tunnel excavated in an elastoplastic strain-softening rock mass, considering axial-symmetric condition, is proposed to study the effects of the weight of the plastic or failed region developed around tunnels. In the proposed method, Mohr–Coulomb yield criterion and plastic potential function are used for the ground medium. The gravity loading is considered as a radial body force being applied to the ground medium which is not the same for different directions. Two flexible and inflexible lining theories are presented for considering the concrete lining stiffness. In flexible lining theory, the influence of the lining is considered as a uniform internal pressure; while, inflexible lining theory, the lining is taken as a thick-walled cylinder. By combining these two theories the concrete lining stiffness can be modelled. The derived differential equations cannot be integrated analytically; thus, they are solved by invoking finite difference approximations. Several illustrative examples are given to demonstrate the performance of the proposed method and to examine the effects of the gravity loads. The results obtained by the proposed method show that the gravity loads may affect the tunnel convergence, especially when the plastic zone is wide.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Convergence-confinement method
  • tunnels
  • strain-softening behavior
  • rock mass
  • gravity loading
منابع
[1] Hoek, E. and E.T. Brown. 1980. “Underground excavations in rock”. London:Inst. Min. Metall.
[2] Hoek, E. 1998, “Tunnel support in weak rock”. In Keynote address, Symposium of Sedimentary Rock Engineering, Taipei, Taiwan; Vol. 12.
[3] Hoek, E. 1999. “Support for very weak rock associated with faults and shear zones”. Proc Rock Support & Reinforcement Practice in Mining.
[4] Hoek, E., Marinos, P. 2000. “Predicting tunnel squeezing problems in weak heterogeneous rock masses”. Tunnels and tunnelling international; 32(11), 45-51.
[5] Brown, E.T., Bray, J.W., , Ladanyi, B., Hoek, E., 1983 "Ground response curves for rock tunnels". Journal of geotechnical Engineering, 109 (1), 15–39.
[6] Carranza-Torres, C., Fairhurst, C., 1999, "The elasto-plastic response of underground excavations in rock masses that satisfy the Hoek–Brown failure criterion". Int. J. Rock Mech. Min. Sci, 36, 777–809.
[7] Sharan, S.K., 2003., "Elastic–brittle–plastic analysis of circular openings in Hoek–Brown media". Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 40, 817–824.
 [8] Sharan, S.K., 2005. "Exact and approximate solutions for displacements around circular openings in elastic–brittle–plastic Hoek–Brown rock". Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 42, 542–549.
 [9] Park, K.-H., Kim, Y.-J., 2006. "Analytical solution for a circular opening in, an elasto-brittle-plastic rock". Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 43, 616–622.
[10] Carranza-Torres, C., 2004. "Elasto-plastic solution of tunnel problems using the generalized form of the Hoek–Brown failure criterion". Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 41, 480–481.
[11] Guan, Z., Jiang, Y., Tanabasi, Y., 2007. "Ground reaction analyses in conventional tunneling excavation. Tunnel". Undergr. Space Technol.22, 230–237.
 [12] Alonso, E., Alejano, L.R., Varas, F., Fdez-Manin, G., Carranza-Torres, C., 2003. "Ground response curves for rock masses exhibiting strain-softening behavior". Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. 27, 1153– 1185.
 [13] Park, K.H., Tontavanich, B., Lee, J.G., 2008. "A simple procedure for ground response curve of circular tunnel in elastic-strain softening rock masses". Tunnel. Undergr. Space Technol. 23, 151–159.
 [14] Lee, Y.,K., Pietruszczak, S., 2008. "A new numerical procedure for elasto-plastic analysis of a circular opening excavated in a strain-softening rock mass". Tunnel Tunneling and underground space technology. 23(5), 588-599
[15] Hoek, E., Carranza-Torres, C.T., Corkum, B., 2002.”Hoek–Brown failure criterion – 2002 edition”. In: Proceedings of the 5th North American Rock Mechanics Symposium and 17th Tunnelling Association of Canada Conference, Toronto, 267–273.
[16] Fahimifar, A., Zareifard, M.R., 2009. “A theoretical solution for analysis of tunnels below groundwater considering the hydraulic– mechanical coupling”. Tunnel. Underg. Space Technol., 24(26), 634-646
[17] Bobet, A. 2010. “Characteristic curves for deep circular tunnels in poroplastic rock”. Rock Mech. Rock Eng., 43(2), 185–200
[18] Zareifard, M.R., Fahimifar, A. 2014. “Effect of seepage forces on circular openings excavated in Hoek–Brown rock mass based on a generalised effective stress principle”, European Journal of Environmental and Civil Engineering. 18(5).
[19] Fahimifar, A. and Zareifard, M. R. 2014. A new elasto-plastic solution for analysis of underwater tunnels considering strain dependent permeability. Structure and Infrastructure Engineering: Maintenance, Management, Life-Cycle Design and Performance, 10(11)
[20] Zareifard, M.R., Fahimifar, A. 2015. “Elastic–Brittle–Plastic Analysis of Circular Deep Underwater Cavities in a Mohr-Coulomb Rock Mass Considering Seepage Forces”, International Journal of Geomechanics. 15( 5)
[21] Zou, J., Li, S., Xu, Y. et al. 2016. “Theoretical solutions for a circular opening in an elastic–brittle–plastic rock mass incorporating the out-of-plane stress and seepage force”. KSCE J Civ Eng 20, 687–701 doi:10.1007/s12205-015-0789-y
[22] Lu AZ, Xu GS, Sun F, Sun WQ. 2010. “Elasto-plastic analysis of a circular tunnel including the effects of the axial in situ stress”. Int J Rock Mech Min Sci;47:50–9.
[23] Park KH. 2015 “Large strain similarity solution for a spherical or circular opening excavated in elastic-perfectly plastic media”. Int J Numer Anal Met Geomech;39:724–37.
[24] Zhang Q, Li C, Jiang BS, Yu LY. 2017 “Elastoplastic analysis of circular openings in elastobrittle-plastic rock mass based on logarithmic strain”. Math Probl Eng 2017;7503912:1–9.
[25] Guan K, Zhu WC, Wei J, Liu XG, Niu LL, Wang XR. 2018. “A finite strain numerical procedure for a circular tunnel in strain-softening rock mass with large deformation”. Int J Rock Mech Min Sci 2018;112:266–80.
[26] Zhang Q, Wang, H-Y, Jiang Y-J, Jiang, B-S 2019, “A numerical large strain solution for circular tunnels excavated in strain- softening rock masses”, Computers and Geotechnics 114, 103142 
[27] زارعی فرد محمدرضا، ارشدنژاد شبیر؛ 1398؛ «تاثیر میزان آسیب دیدگی توده سنگ بر پایداری تونل های با پوشش بتنی بر اساس معیار مور کولمب»، نشریه علمی پژوهشی مهندسی معدن، دوره 14، شماره 44، صفحه 39-26
[28] Zareifard, M.R., Fahimifar, A. 2016. “Analytical solutions for the stresses and deformations of deep tunnels in an elastic-brittle-plastic rock mass considering the damaged zone”, Tunnelling and Underground Space Technology, 58, 186-196.
[29] Zareifard, M. R. 2020 “A new semi-numerical method for elastoplastic analysis of a circular tunnel excavated in a Hoek–Brown strain-softening rock mass considering the blast-induced damaged zone”; Computers and Geotechnics.
 [30] González-Cao, J., Alejano, L.R., Alonso E., Bastante F.G. 2018, “Convergence-confinement curve analysis of excavation stress and strain resulting from blast-induced damage”, Tunnelling and Underground Space Technology, 73, 162-169.
[31] Ghorbani, A., Hasanzadehshooiili, H., (2019). A comprehensive solution for the calculation of ground reaction curve in the crown and sidewalls of circular tunnels in the elastic-plastic-EDZ rock mass considering strain softening, Tunnel. Undergr. Space Tech., 84, 413-431.
[32] Hedayat, A,  Weems , J., (2019), The Elasto‑Plastic Response of Deep Tunnels with Damaged Zone and Gravity Effects, Rock Mechanics and Rock Engineering, 52(12), 5123-5135
[33] محمدی حمید، ابراهیمی فرسنگی محمد علی،  جلالی فر حسین، احمدی علیرضا؛ 1394؛ « محاسبه منحنی واکنش زمین، حداقل فشار نگهداری و حداکثر کرنش مجاز در تاج تونل»، نشریه علمی پژوهشی مهندسی معدن، دوره 10، شماره 26، صفحه 55-67.
[34] حیدری رامین، فهیمی فر احمد؛ 1397؛ « تأثیر وزن ناحیه شکسته بر توزیع تنش و جابجایی محیط اطراف تونل»، نشریه علمی پژوهشی مهندسی زیر ساختهای حمل و نقل، سال چهارم، پیاپی سیزدهم.
[35] Zareifard, M. R., and Fahimifar, A. 2012. “A new solution for shallow and deep tunnels by considering the gravitational loads.” Acta Geotech. Slovenica, 2(4), 37–49.
 [36] Hoek, E., Brown, E.T., 1997. “Practical estimates of rock mass strength”. Int. J. Rock Mech. Sci. Geom. Abstr. 34 (8), 1165–1187.
[37] Timoshenko S. P., and Goodier JN., 1982. “Theory of Elasticity”, McGraw-Hill, New York
[38] زارعی فرد محمدرضا؛ 1398؛ « بررسی تاثیر نوع معیار گسیختگی توده سنگ هوک و براون و مورکولمب در نتایج تحلیل تونل»، ششمین کنفرانس ملی پژوهشهای کاربردی در مهندسی عمران