多轴压缩条件下层状硬质片岩的力学特性研究

在深部工程中经常会遇到层状岩体,由于高应力的影响,在工程活动中发生因层状结构面诱发的岩体灾害问题。这与深部工程中的真三向高应力环境及层状结构面产状密切相关。为此,基于一种取自某深部金属矿山的层状硬质片岩,开展了考虑片理方位的真三轴压缩试验研究,获取了该片岩在两种片理加载方位下,不同应力差条件时,试样的变形、强度及破裂数据。结果表明,该硬质片岩的力学特性受片理加载方位和应力条件影响较大。具体表现在,当中间主应力σ₂平行片理走向时,试样的脆性更强,且最小主应力σ₃ 越小脆性越强。当σ₂垂直片理走向时试样的强度更高,但强度随σ₃增加而增加的敏感性较弱。当σ₂平行片理走向时,试样的破坏均以沿片理的剪切为主;而当σ₂ 垂直片理走向时,试样在低σ₃ 时,主要发生穿片理的拉破坏,高σ₃ 时,则转变为沿片理的剪切破坏。试验结果对陡倾层状硬质岩体工程的稳定性评价有一定的启示意义,即当片理走向与洞轴线的夹角较小时,浅层围岩片理面的法向应力释放程度较高,易发生受片理结构控制的脆性破坏;反之,夹角较大时,岩体的稳定性较强。     

裂隙黄土边坡三维稳定性极限分析

黄土边坡中竖直裂隙的发育往往会对边坡稳定产生影响。相对于平面应变机制,建立三维破坏机制下边坡稳定性分析方法更能接近实际边坡失稳情况。基于塑性极限分析上限法,考虑预先存在竖直裂隙的三维黄土边坡不同破坏机制（坡面破坏、坡脚破坏和坡底破坏）,建立能量平衡方程及其无量纲临界高度值γH/c表达式,采用随机搜索法得到了临界高度的上限解。分析了约束宽度、边坡坡度、内摩擦角以及裂隙深度对三维竖直裂隙黄土边坡临界高度值的影响。结果表明：对于坡脚破坏机制,临界高度值随着裂隙深度的增加而减小,减小至临界裂隙深度 (δ /H)_min后,裂隙深度的增加不再影响临界高度值;临界裂隙深度随着坡度β 的增大而增大,随着内摩擦角φ 的增大而减小。当约束宽度B/H<0.8时,大多数破坏机制为坡面破坏。当约束宽度B/H=0.8、内摩擦角φ =10° 及约束宽度B/H=0.6、内摩擦角φ =15° 时,边坡的破坏从坡面破坏机制逐渐过渡到坡脚破坏机制。存在竖直裂隙的黄土边坡比完整边坡具有更小的临界高度,约束宽度及内摩擦角会对三维黄土边坡破坏机制产生影响。     

大断面管幕法隧道群管顶进的地表位移规律研究

为研究管幕法群管顶进施工过程中地表位移变化规律,依托上海田林路下穿中环隧道工程,对地表位移实测数据进行了详细分析。通过数据处理发现,管幕施工期间变形发展可细分为7个阶段,其中包括4个推进阶段、3个暂停推进阶段。管幕推进阶段的地表位移由地层损失沉降和注浆引起的地表隆起叠加而成;暂停推进阶段的地表沉降主要是固结沉降。运用Peck公式对地表位移进行描述,通过现场数据反分析出各根钢管推进时的沉降槽宽度系数i和地层损失率η。基于分析结果,提出了适用于上海软黏土的i和η 计算公式,其中i的公式只与钢管半径R、钢管埋深h和土体内摩擦角φ 有关,而η的公式表达成随时间的双曲线函数。注浆导致的地表隆起可分解成各根钢管顶进伴随注浆造成的负地层损失。运用上述方法对地表位移进行预测,并与实测结果对比,验证了文中方法的正确性,成果可对类似管幕法工程施工引起的地表位移预测提供科学参考。     

非均质黏土地层隧道开挖面稳定运动单元上限有限元分析

将刚体平动运动单元上限有限元方法(UBFEM-RTME)与程序作进一步改进,使之适应分析非均质黏土地层稳定性问题。应用该程序系统分析了地表超载作用下非均质黏土地层隧道开挖面稳定性,获得了隧道埋深比C/D、土体重度参数γD/c_(u0)、土体强度非均质参数ρD/c_(u0)等因素综合影响下开挖面失稳临界荷载上限解σ_s/c_(u0)图表和以有效间断线网表征的地层破坏模式及其演变规律。研究表明:隧道埋深比C/D和强度非均质参数ρD/c_(u0)对临界荷载σ_s/c_(u0)及地层破坏模式影响显著;土体重度参数γD/c_(u0)对σ_s/c_(u0)影响明显,但对破坏形态影响不大。进一步展示了不同有效间断线数目及分布等网格参数下地层破坏形态的差异,解释了上限解精度提高的原因,与多块体上限法及上下限有限元法对比表明,UBFEM-RTME适宜于非均质黏土地层隧道开挖稳定性评价研究,特别是极限状态破坏模式的分析。     

粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟

通过开展离心模型试验,对干粉砂及饱和粉砂中盾构隧道开挖面的失稳破坏特性和极限支护压力进行了研究。通过远程控制开挖面土体位移,获得了支护压力与开挖面位移间的关系曲线及开挖面达到主动极限平衡状态时的破坏模式。2组干砂离心模型试验结果表明,当隧道埋深与隧道直径比从0.5增大到1时,开挖面破坏模式从整体坍塌破坏转变为烟囱状,但极限支护压力变化较小。饱和砂土中的试验表明,开挖面水平方向破坏范围相比在相同埋深干砂中的范围扩大,极限支护压力显著增加。对开挖面破坏过程进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面极限支护压力和破坏机制,所得结果与试验吻合较好。进一步通过数值模拟,分析了土体强度参数、隧道埋深及渗流对极限支护压力的影响规律。结果表明,渗流条件下开挖面破坏区域及极限支护压力均大于无渗流情况,极限支护压力随内摩擦角增大而减小,随隧道埋深增大而减小。     

泥水平衡盾构开挖面稳定性模型试验研究

在泥水平衡盾构施工过程中,如何确保施工安全并减少对周边环境的影响受到国内外学者的广泛关注,地层土体稳定性问题显得尤为重要,但对于砂质地层开挖面稳定性的失稳机制及其稳定性分析尚处于经验阶段。利用大尺寸模型试验,研究了不同水头高度（无水、0.9 m和1.1 m）下两种地层中开挖面主动破坏的发展模式和受力情况。试验中分析了不同水头高度对开挖面主动破坏的影响,研究结果表明：砂质土层中盾构隧道开挖面失稳时,存在土拱效应,使得地表对开挖面主动破坏的响应存在滞后效应;根据水头高度不同,可将砂质地层中开挖面主动破坏发展模式划分为无水模式、低水头模式和高水头模式;在形成泥膜和提供支护力的过程中,会在砂质土层中产生超孔隙水压力,在确定支护力时,应在静止土压力和静水压力的基础上,考虑超孔隙水压力的影响。研究结果对确定开挖面极限支护压力有重要的指导意义。     

基于H/α分解原理的古河道信息提取——以松嫩平原西部地区为例

古河道对于重现古气候、古生态环境变化有着重要的意义。极化合成孔径雷达（SAR）数据以散射矩阵的形式记录了地物的后向散射信息,能有效地识别隐伏的古河道信息。本文以古河道发育的松嫩平原西部作为研究区域,选取Sentinel-1双极化数据（VV-VH）作为数据源,通过VV-VH双极化模式下的H/α分解处理,构建了由散射熵H与散射角α构成的二维H/α平面。依据雷达波在古河道充填沉积物中发生体散射以及在古河床底界面发生二次散射,并且体散射功率大于二次散射功率,确定了古河道散射类型属于H/α平面上的高熵多次散射。结合此特征与Sentinel-2影像,最终对研究区内的古河道信息进行了提取。研究表明,通过VV-VH双极化模式下的H/α分解方式可以提取到在Sentinel-2影像上无明显特征的古河道信息。     

非均质地基中平面应变隧道开挖面稳定上限分析

非均质是软黏土地基中比较普遍的现象,而目前隧道开挖面稳定研究中比较成熟的理论主要是针对均质土体。因此,从塑性极限分析上限法的基本原理出发,采用平面应变隧道刚体平动破坏模式(多块体上限法),考虑软黏土地基的非均质性,推导了平面应变隧道极限支护压力关于隧道埋深、土体重度及土体强度的上限公式。通过与其他方法的比较分析,证明了极限分析方法在隧道开挖面稳定性方面的可行性;利用该方法的计算结果详细探讨了隧道开挖面稳定的影响因素;而且由计算结果可知,地基土的非均质性在影响隧道开挖面极限支护压力的同时,也影响着隧道开挖破坏面的位置和形状,为工程实践提供重要的理论依据。     

深埋盾构隧道开挖面三维对数螺旋破坏模式的上限分析

相对于盾构隧道施工的大量需求与快速发展的状况,国内在盾构工法特别是大型深埋盾构隧道施工技术和理论研究方面还存在不足,特别是水压条件下深埋盾构隧道开挖面稳定问题。基于极限分析上限法和水土压力统一参数,对考虑水压影响的均质土深埋隧道开挖面稳定性计算方法进行研究,建立了考虑水压影响的深埋盾构隧道开挖面三维对数螺旋破坏模式模型,并推导了其极限支护压力计算公式。然后利用土层厚度加权平均法,可将上述方法应用于多层土深埋盾构隧道开挖面稳定性的评价中。最后,以上海长江盾构隧道实际工程为例,采用本文推导的极限分析上限三维对数螺旋破坏模式方法计算并分析其极限支护压力,并将计算结果与前人研究和规范方法计算的结果进行对比分析。通过该研究可改进与完善水压条件下深埋盾构隧道极限支护压力确定方法,从而为考虑水压条件下盾构隧道施工支护压力的合理确定提供理论依据。     

复合地层隧道围岩强度实时估算研究

隧道TBM开挖过程中经常会遇到复合岩层,在这种地质环境下,隧道掘进机（tunnel boring machine,简称TBM）开挖过程中的隧道围岩强度很难估计,隧道开挖掌子面和围岩容易发生坍塌。为了提高隧道掘进效率、预防事故发生,对开挖隧道围岩强度进行实时估算方面的研究很有必要。在重庆轨道九号线隧道TBM施工中,通过室内试验和现场实测数据发现,TBM推力F_N与岩石强度成正比、TBM扭矩推力比T/F_N（T为扭矩）与贯入度p^0.5成正比例关系。针对砂质泥岩、砂岩和灰岩组成的复合岩层,提出了一种利用现场实测推力F_N和扭矩T的值来快速估算开挖隧道围岩强度的方法,进一步对TBM实测数据进行线性拟合,从而得到估算公式中两个常数α₁、α₂的取值方法,并在10多个隧道实际工程中得到验证。结果表明,对于这种复合岩层地质环境,两个常数α₁、α₂的值与滚刀数量n和滚刀直径d相关。该研究成果为实时快速估算开挖隧道围岩强度提供了一种新的切实可行的思路,能提高隧道TBM施工的可靠性和安全性,具有重要的应用价值。     

模拟人工冻结凿井状态下冻土强度特性研究

通过模拟人工冻结凿井中冻土冻结、受力的实际过程,对已冻结试样进行不同温度、不同初始围压状态下的减载试验研究.结果表明:温度和土层深度是影响深部冻土破坏强度和破坏应变的主要因素,当温度不变时,破坏强度和破坏应变随初始围压呈线性关系变化.破坏强度受温度的影响取决于初始围压,在低初始围压状态下,冻土的破坏强度受温度变化影响不明显,但随着初始围压增大即土层深度加深,破坏强度受温度的影响也逐渐明显.破坏应变随温度的降低而逐渐减小,且呈双曲线形变化,但当温度低于 - 7℃时,在不同初始围压下其破坏应变基本不随温度的变化而变化     

Numerical modeling of the transient hydrogeological response produced by tunnel construction in fractured bedrocks

Groundwater inflows into tunnels constructed in fractured bedrocks not only constitute an important factor controlling the rate of advancement in driving the tunnel but may pose potential hazards. Drawdowns caused by tunnel construction may also induce geotechnical and environmental impacts. Here we present a numerical methodology for the dynamic simulation of the hydrogeological transient conditions induced by the tunnel front advance. The methodology is based on the use of a Cauchy boundary condition at the points lying along the tunnel according to which water discharge, Q, is computed as the product of a leakage coefficient, , and the head difference, (H−h), where H is the prescribed head at the tunnel wall and h is the hydraulic head in the fractured rock in the close vicinity of the tunnel. At a given position of the tunnel, is zero until the tunnel reaches such position when it is assigned a positive value. The use of step-wise time functions for allows an efficient and accurate simulation of the transient hydrogeological conditions at and around the tunnel during the excavation process. The methodology has been implemented in TRANMEF-3, a finite element computer code for groundwater flow in 3D fractured media developed at the University of A Coruña, Spain, and has been used to simulate the impact of a tunnel on the groundwater system at the Äspö island (Sweden). This tunnel was constructed to access an underground laboratory for research on radioactive waste disposal. The large amount of available data at this site provides a unique opportunity to test the performance of the numerical model and the proposed methodology for tunnel advance. With just minor calibration, the numerical model is able to reproduce accurately the measurements of inflows into the tunnel at several reaches and hydraulic heads at surface-drilled boreholes. These results obtained at the Äspö site lead us to conclude that accurate predictions of the transient hydrogeological responses induced by tunneling works in fractured bedrocks, can be achieved provided that a sound hydrogeological characterization of large-scale fracture zones is available.     

基于数字图像分析的土工合成材料加筋砂土拉拔试验研究

由于加筋土界面作用的复杂性,加筋土工程建设中铺设土工格栅时往往采用经验的方法,很大程度上造成了土工格栅的浪费及工程安全隐患,理清不同填料筋土界面作用的影响范围,有助于确定加筋土结构的合理加筋间距。为了揭示不同填料筋土界面作用的影响范围,采用4种不同类型的砂土与格栅在不同法向应力下进行了一系列的拉拔试验,并结合数字图像量测技术,分析了不同类型砂土下界面剪切带厚度、颗粒位移矢量、格栅拉拔阻力峰值及应变等演变规律。研究表明：界面剪切带厚度H随法向应力σ_v与砂土平均粒径d₅₀的增加而增大,通过多变量拟合的方法,得到了H、σ_v与d₅₀三者之间的函数表达式;格栅在拉拔过程中,砂土颗粒位移矢量以土工格栅为界有着显著的差别,格栅上部的颗粒位移矢量明显大于下部颗粒,且在格栅上下一定范围内会形成颗粒位移矢量集中带;拉拔阻力峰值随σ_v及d₅₀的增加而增大;不同类型砂土各区段的格栅应变均表现出由前向后依次递减的趋势。     

Q2饱和黄土隧洞围岩变形特征研究

Q₂饱和黄土含水率高,强度低、变形大。饱和黄土隧洞围岩变形破坏一直是工程界关心和亟待解决的问题。利用隧洞围岩收敛变形、二次应力场监控量测与数值分析,获取隧洞围岩动态综合信息,研究在一次支护条件下,隧洞围岩的收敛变形和应力变化特征。结果显示,隧洞围岩收敛变形和应力在最初的10~15天呈线性快速增长趋势。后期,收敛变形随时间呈非线性增加,受一次衬砌的限制,其变形在隧洞开挖30~40天后渐趋于稳定,但应力持续增加,反映Q₂饱和黄土隧洞围岩具有显著的时效特性。为避免隧洞围岩压力过大,造成隧洞围岩及支护破坏,建议在开挖后30~40天施作二次衬砌。     

Horton定律及分枝网络结构的分形描述

在Horton定律的基础上提出分枝网络结构的端头构成的集合的分形维数更具有实际意义,并得出了端头集合的自相似维数。在此基础上,又给出了具有两个不同分枝长度比的两分枝结构的端头的多分形描述,并定性地分析了其f(α)～α谱和Dq～q谱。讨论了其在实际河流网络中的意义。     

高地温隧洞支护结构受力特性

高地温问题严重制约了地下工程的施工和安全运营,结合新疆某水电站引水洞存在的高岩温问题展开研究。根据地质资料设置了6种地温边界,研究隧洞围岩及支护结构在开挖、施做喷层、施做衬砌和过水等工况下的受力及变形特性,并与不考虑温度场时的分析结果进行了对比分析。研究表明:高温对隧洞稳定性有显著的影响,高温下锚杆轴力约为不考虑温度场时的294倍,衬砌环向拉应力约为不考虑温度影响时的2.13倍;保温层作用显著,若不考虑保温层的影响,锚杆轴力和衬砌拉应力会更大;过水对衬砌受力影响较大,过水后衬砌环向拉应力迅速增大为过水前的2.65倍。研究结果为类似工程的设计与施工提供借鉴。