بررسی تأثیر زمان در همگرایی تونل‌های دایروی

رضایی, هادی; کارگر, علی رضا; موسوی, مهدی

doi:10.22034/anm.2023.19371.1584

بررسی تأثیر زمان در همگرایی تونل‌های دایروی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی معدن، پردیس دانشکده های فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

10.22034/anm.2023.19371.1584

چکیده

یکی از مهم‌ترین مسائل در طرحی فضاهای زیرزمینی، ارزیابی پایداری حفره با گذشت زمان است. از این رو ارائه مدلی که از طریق آن بتوان میدان تنش و تغییر شکل ایجاد شده ناشی از حفاری را بخوبی پیش بینی کرد حائز اهمیت است. در این مقاله به ارائه یک راه حل عددی برای تعیین میدان تنش و جابجایی اطراف تونل‌های دایروی شکل با گذشت زمان، با فرض رفتار ویسکو-الاستو-پلاستیک نرم شونده برای تودهسنگ اطراف تونل، پرداخته میشود. با استفاده از راه حل عددی ارائه شده، که بر اساس روش تفاضل محدود همراه با المان بندی توده سنگ اطراف میباشد، میتوان مدل های رفتاری مختلف تودهسنگ شامل پلاستیک کامل، نرم شونده و شکننده را همراه با تغییر شکل ویسکوز شبیه سازی کرد. با بکارگیری روش عددی پیشنهادی و با فرض همگن و همسانگرد بودن توده سنگ اطراف حفره، تحت تنش هیدروستاتیک معین، مقادیر تنش و جابجایی وابسته به زمان، و منحنی عکس العمل زمین در بازه های زمانی مختلف پس از حفر بدست می‌آید. در ابتدا راهحل با استفاده از مدلسازی در نرم افزار فلک و همچنین راهحل کارگر اعتبارسنجی گردید، سپس از یک نوع توده سنگ، به عنوان مثال، برای رسم منحنی عکس‌العمل زمین در بازه‌های زمانی مختلف استفاده شده و مقادیر جابجایی دیواره در حالت‌های پلاستیک-کامل، شکننده و نرم‌شونده با هم مقایسه می‌شوند. مشخص میشود که بعلت تاثیر متفاوت گسترش زون پلاستیک و اندازه مولفه انحرافی تانسور تنش، میدان جابجایی و نمودار منحنی عکس العمل زمین برای هر مدل رفتاری تودهسنگ رفتار متفاوتی را از خود نشان میدهد. در نهایت با بررسی اندرکنش میان نگهداری و توده سنگ مشخص می شود که با گذشت زمان های طولانی از نصب نگهداری، حالت پلاستیک نرم شونده باعث ایجاد بیشترین فشار وارد بر نگهداری می شود. معیار شکست استفاده شده در راهحل پیشنهادی معیار موهر-کلمب است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

تونلسازی

عنوان مقاله [English]

Investigation of time-dependent effects on the convergence of circular tunnels

نویسندگان [English]

Hadi Rezaei
Ali Reza Kargar
Mehdi Moosavi

Dept. of Mining Engineering, Technical College, University of Tehran, Tehran, Iran

چکیده [English]

Summary
A numerical solution based on the finite difference method is presented in this study which employs time-dependent parameters of surrounding rock mass of a circular tunnel. Applying the solution, the effect of time on induced stress and displacement is investigated. Moreover, the impact of support installation under time-dependent deformation of the surrounding mass is studied for various plastic behaviors.
Introduction
Nowadays, due to the development of urban areas, huge investments are made in creating infrastructures and their maintenance. Consequently, there is an increasing demand for the construction of underground structures such as tunnels. One of the most important issues in designing tunnels as an underground construction is its stability. On the contrary, the evaluation of induced stress and deformation fields is the most crucial matter after underground excavation. This excavation could change the initial stress components and produce an induced stress field causing further displacements around the underground structure. This evolution in stress and deformation regime may not occur instantly, instead it might develop over long periods of time. A ground reaction curve is a beneficial approach to describe these deformations based on the convergence-confinement method. For simplicity, it is assumed in this method that rock mass mechanical properties are isotopic, and in situ hydrostatic stress field exists making the problem as an axisymmetric problem. In the majority of the analytical solutions for the ground reaction curve, the rock mass constitutive model is assumed as elastic perfectly plastic and elastic brittle plastic which simplifies the solving process. Moreover, in some other solutions, strain softening constitutive model is implemented. Nonetheless, considering all this research, the actual rock mass behavior which is affected by time is neglected...

کلیدواژه‌ها [English]

Circular tunnels
Viscos elastic-plastic model
Ground reaction curve
Time-dependent behavior

مراجع

[1] Brown E, Hoek E. 1980 Underground excavations in rock. CRC Press.

[2] Reed M. 1986 Stresses and displacements around a cylindrical cavity in soft rock. IMA Journal of Applied Mathematics, 36(3), 223-45.

[3] Sharan S. 2003 Elastic–brittle–plastic analysis of circular openings in Hoek–Brown media. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 40(6), 817-24.

[4] Yu H-S. 2000 Cavity expansion methods in geomechanics. Springer Science & Business Media.

[5] Carranza-Torres C, Fairhurst C. 1999 The elasto-plastic response of underground excavations in rock masses that satisfy the Hoek–Brown failure criterion. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 36(6), 777-809.

[6] Alonso E, Alejano LR, Varas F, Fdez-Manin G, Carranza-Torres C. 2003 Ground response curves for rock masses exhibiting strain-softening behaviour. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 27(13), 1153-85.

[7] Sulem J, Panet M, Guenot A, editors. 1987 An analytical solution for time-dependent displacements in a circular tunnel. International journal of rock mechanics and mining sciences & geomechanics abstracts, Elsevier.

[8] Cristescu N. 1988 Viscoplastic creep of rocks around a lined tunnel. International journal of plasticity, 4(4), 393-412.

[9] Critescu N. 1985 Viscoplastic creep of rocks around horizontal tunnels. International Journal of Rock Mechanics, 22(6).

[10] Kargar AR. 2019 An analytical solution for circular tunnels excavated in rock masses exhibiting viscous elastic-plastic behavior. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 124, 104128.

[11] Mase GE, Mase G. 1970 Continuum mechanics. McGraw-Hill New York.

[12] Jaeger JC, Cook NG, Zimmerman R. 2009 Fundamentals of rock mechanics. John Wiley & Sons.

[13] 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. Tunnelling and Underground Space Technology, 23(5), 588-99.

[14] Singh RN, Ghose AK. 2006 Engineered rock structures in mining and civil construction. CRC Press.

[15] Itasca Consulting Group, Inc. (2019) FLAC — Fast Lagrangian Analysis of Continua, Ver. 8.00. Minneapolis: Itasca.

[16] Paraskevopoulou C, Diederichs M. 2018 Analysis of time-dependent deformation in tunnels using the Convergence-Confinement Method. Tunnelling and Underground Space Technology, 71, 62-80.

[17] 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. Tunnelling and Underground Space Technology, 23(2), 151-9.

[18] Zhang H, Wang Z, Zheng Y, Duan P, Ding S. 2012 Study on tri-axial creep experiment and constitutive relation of different rock salt. Safety science, 50(4), 801-5.