تحلیل تونل‌های زیر سطح آب زیرزمینی با در نظر گرفتن رفتار نرم کرنشی در ناحیه‌ی پلاستیک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد؛ دانشکده‌ی مهندسی عمران و محیط زیست؛ دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 دانش‌آموخته‌ی کارشناسی ارشد مهندسی عمران؛ گرایش ژئوتکنیک؛ دانشگاه تفرش؛ کارشناس شرکت آب منطقه‌ای البرز

3 دانش‌آموخته‌ی کارشناسی ارشد مهندسی عمران؛ گرایش ژئوتکنیک؛ دانشگاه تفرش؛ کارشناس شرکت مهندسی مشاور طاها

4 دانشجوی دکترای تخصصی؛ دانشکده‌ی مهندسی عمران؛ دانشگاه تبریز

چکیده

در این مقاله تونل‌های زیر سطح آب زیرزمینی در شرایط تقارن محوری و کرنش صفحه‌ای بررسی و با استفاده از روش عددی تفاضل محدود، روشی نوین برای محاسبه‌ی توزیع فشار آب حفره‌ای، تنش و کرنش در اطراف تونل دایروی حفر شده در سنگ پیشنهاد شده است. در این روش، توده‌سنگ اطراف تونل به صورت الاستوپلاستیک با مدل نرم‌کرنشی در نظر گرفته شده است. با توسعه‌ی مدل‌های پیشین در مدل جدید ارایه شده، تاثیرات نمو کرنش الاستیک در ناحیه‌ی پلاستیک و زاویه‌ی اتساع توده‌سنگ نیز لحاظ شده است. علاوه بر این موارد، جریان تراوش و نفوذپذیری ثانویه‌ی توده‌سنگ به سبب وجود کوپل هیدرومکانیکی در ناحیه‌ی پلاستیک نیز در نظر گرفته شده است. این مدل، توزیع فشار آب حفره‌ای در ناحیه‌ی الاستیک در تمام جهات اطراف تونل را به صورت دقیق‌تری نسبت سایر مدل‌ها محاسبه می‌کند. از آنجایی که معادلات حاکم، حل بسته نخواهد داشت، برنامه‌ای کامپیوتری بر مبنای این مدل، نوشته شده و دقت و کاربرد عملی آن با چندین مثال مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده تاثیرات زاویه‌ی اتساع، نمو کرنش الاستیک در ناحیه‌ی پلاستیک و شرایط آب زیرزمینی را به خوبی نشان می‌دهند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Analysis of Underwater Tunnels Considering Strain-Softening Behavior in Plastic Zone

نویسندگان [English]

  • Ahmad Fahimifar 1
  • Hamed Ghadami 2
  • Masoud Ahmadvand 3
  • Arvin Abdolmaleki 4
1 Professor; Faculty of Civil and Environmental Eng.; Amirkabir University of Technology
2 M.Sc. in Geotechnical Eng.; Department of Civil Eng.; Tafresh University; Alborz Regional Water Company
3 M.Sc. in Geotechnical Eng.; Department of Civil Eng.; Tafresh University; Taha Consultant Engineers Company
4 PhD Candidate; Department of Civil Eng.; Tabriz University
چکیده [English]

In this paper, an elasto-plastic analytical-numerical method for the analysis of underwater tunnels is proposed. Seepage flow and secondary permeability of the rock mass due to the mechanical-hydraulic coupling are taken into accounts for plastic zone. Meanwhile, a modified accurate seepage model is used for elastic zone. As the analytical equations do not have closed form solutions, a computer program has been presented to obtain the solutions.
 
Introduction
When a tunnel is excavated below groundwater table, groundwater flows into the tunnel and seepage forces act on the tunnel walls. Any element of rock mass is loaded on all sides by the seepage forces as body forces. Fractures and pores cause the permeability of the rock mass to be deformed by these forces. Therefore, the permeability of the rock mass around the pressure tunnels will be modified by the excavation and installation of lining. This change in permeability in turn affects the seepage flow and forces. This mechanical-hydraulic coupling is rarely considered in the analysis of underwater tunnels.
 
Methodology and Approaches
A new numerical procedure, using the finite difference method, is proposed for calculating the distribution of stresses, radial displacements and pore pressures around a circular tunnel excavated in a rock mass with strain-softening behavior. For estimation of rock mass strength, the Hoek-Brown model is applied. The stepwise procedure proposed by Brown & Bray (1982) is modified by including the effects of elastic strain increments. For the strain-softening behavior, it is assumed that all the strength parameters are a linear function of deviatoric plastic strain, which is different from the function used by Brown-Bray. The accuracy and practical application of proposed procedure have been shown through some examples.
 
Results and Conclusions
The results and findings have indicated the effects of dilatancy angle, deviatoric plastic strain as the factor of strain-softening, elastic strain increments and condition of groundwater. It can be observed that both elasto-plastic radius and convergence of the tunnel before installation of lining have been increased by raising the groundwater level. Meanwhile, variations of dilatancy angle have also a significant effect on ground response curve and elasto-plastic radius.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Underwater Tunnels
  • Strain-Softening Behavior
  • Groundwater
  • pore pressure
  • Seepage
[1]     Brown, E., & Bray, J. (1982). Rock-Support Interaction Calculations for Pressure Shafts and Tunnels. ISRM Symposium, Rock Mechanics Related to Caverns and Pressure Shafts (pp. 26-28). Aachen, Germany. A.A. Balkema. ISBN 10: 9061912334.

[2]     Fazio, L., & Ribacchi, R. (1984). Influence of Seepage on Tunnel Stability. ISRM Symposium on Design and Performance of Underground Excavations (pp. 173-184). Cambridge: British Geotechnical Society, UK. Thomas Telford. ISBN: 9780727735652.

[3]     Carosso, G., & Giani, G. (1988). Analytical Solutions for Potentials and Stresses around a Cavity under a Water Table. In Serrano (Ed.), International Congress on Tunnels and Water, 3, (pp. 1209-1217). Madrid, Spain. Taylor & Francis Group. ISBN: 9061918219.

[4]     Nam, S. W., & Bobet, A.  (2006). Liner Stresses in Deep Tunnels below the Water Table. Tunneling and Underground Space Technology, 21(6), 626–635. http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2005.11.004.

[5]     Lee, S. W., Jung, J. W., Nam, S. W., & Lee, I. M. (2007). The Influence of Seepage Forces on Ground Reaction Curve of Circular Opening. Tunnelling and Underground Space Technology, 22(1), 28-38. http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2006.03.004.

[6]     Shin, Y. j., Kim, B. M., shin, J. H., & Lee, I. M. (2010). The Ground Reaction Curve of Underwater Tunnels Considering Seepage Forces. Tunnelling and Underground Space Technology, 25(4), 315-324. http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2010.01.005.

[7]     Fahimifar, A., & Zareifard, M. R. (2009). A Thoretical Solution for Analysis of Tunnels below Groundwater Considering the Hydraulic-Mechanical Coupling. Tunnelling and Underground Space Technology, 24(6), 634-646. http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2009.06.002.

[8]     Kolymbas, D., & Wagner, P. (2007). Groundwater Ingress to Tunnels-The Exact Analytical Solution. Tunnelling And Underground Space Technology, 22(1), 23-27. http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2006.02.001.

[9]     Ming, H., Meng, S. W., Tan, Z. S., & Xiu, Y. W. (2010). Analytical Solution for Steady Seepage into an Underwater Circular Tunnel. Tunnelling and Underground Space Technology, 25(4), 391-396. http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2010.02.002.

[10] Timoshenko, S., & Goodier, J. (1994). Theory of Elasticity. New York: McGraw-Hill. ISBN: 9780070701229.

[11] Hoek, E., & Brown, E. T. (1980). Empirical Strength Criterion for Rock Masses. Journal of Geotechnical Engineering, 106(9), 1013-1035.

[12] 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. http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9410(1983)109:1(15).

[13]قدمی، ح. (1390). تحلیل پایداری تونل‌های تحت فشار با در نظر گرفتن اثر تراوش. تفرش، ایران: پایان‌نامه‌ی کارشناسی‌ارشد، دانشگاه تفرش.

[14] 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), 151-159. http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2007.03.002.

[15] Alonso, E., Alejano, L. R., Varas, F., Fdez-Manin, G., & Carranza-Torres, C. (2003). Ground Response Curves for Rock Masses Exhibiting Strain-Softening Behavior. International Journal of Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 27(13), 1153-1185. http://dx.doi.org/10.1002/nag.315.

[16] 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), 588-599.http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2007.11.002.