粉质黏土地层超大直径泥水盾构隧道地表变形与施工参数相关关系研究

本文以粉质黏土地层超大直径泥水盾构隧道为工程背景,分析了地表变形特征随盾构掘进参数的变化规律。并针对粉质黏土地层隧道施工监测数据进行分析,提出了超大直径泥水盾构下穿建构筑物的施工关键控制参数。研究结果表明:不同施工参数对地表变形的影响存在显著差异,注浆量相对最大,刀盘扭矩和贯入度相对次之,刀盘推力、泥水压力、注浆压力和掘进速度相对最小。注浆量对地表变形的影响随隧道埋深的变化而变化,当隧道埋深小于一倍洞径时,注浆量对地表变形影响相对较大;当隧道埋深大于一倍洞径时,注浆量对地表变形影响相对较小。刀盘推力与泥水压力、注浆压力以及水土压力之间存在较好的相关关系。当泥水压力比水土压力约大0.1 MPa,注浆压力比水土压力约大0.3MPa时,盾构下穿建构筑物造成的地表变形相对较小,盾构地质适应性得以显著优化。相关研究成果可为后续粉质黏土地层超大直径盾构隧道地表变形分析和施工参数优化等提供理论依据和技术支撑。     

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。     

江汉平原水土地质环境综合监测与评价

为及时掌握与人类生产生活息息相关的水土地质环境的现状及其演变规律,开展水土地质环境综合监测与评价工作尤为重要。本文在综合分析江汉平原水土地质环境监测现状、问题及其影响因素的基础上,借鉴"压力-状态-响应-行动"指标构建思路,构建江汉平原水土地质环境的综合监测与评价三级指标体系,并运用层次分析法确定指标权重。部署针对水土地质环境的监测网络,并以2012年监测调查统计数据为基础,利用水土地质环境健康指数综合评价水土地质环境状况并分区。结果表明:江汉平原整体水土地质环境健康指数值为0.12,处于亚健康水平,需要采取相关的保护措施防止其进一步恶化。     

盾构隧道开挖面稳定的可靠度研究

目前,盾构隧道开挖面稳定性评价方法均是确定性方法。为了考虑土体参数的变异性,提出用可靠方法来评价其稳定程度。采用数值模拟方法,研究了隧道开挖面极限支护压力。基于BP神经网络预测大量给定地层参数工况下的开挖面极限支护压力,对其进行统计,得其概率分布特征。在理论分析的基础上,结合工程实际,探讨了盾构施工土压力的确定原理。建立了隧道开挖面稳定的极限状态方程,对其进行了可靠度分析。该研究除能够科学、合理地评价开挖面的稳定程度外,对于盾构施工过程中合理地设定开挖面支护压力也具有一定的参考作用。     

变形稳定理论在盐岩储气库优化设计中的应用

为解决盐岩储气库洞室形状以及库群布置的优化设计问题,将变形加固理论发展和完善为变形稳定理论,把塑性余能与强度折减系数的K-ΔE关系曲线作为储气库群的整体稳定性判据。在变形稳定理论的基础上,对不同形状和布置方式的洞室的整体稳定性进行定量评价,优化分析了洞室形状以及库群的布置方式,进而获得最具安全稳定性的洞室形状和布置方式。研究结果表明,变形稳定理论为盐岩储气库洞室形状和洞群布置方式的优化设计提供了一套实用有效的分析理论和方法。     

锚杆–围岩承载结构支护下隧洞稳定性分析

为避免锚杆支护过剩或支护不足以及快速地、准确地评价被锚隧洞围岩稳定性,首先将岩石和锚杆的复合体考虑成材质均匀的加固体,基于弹性理论推导出加固体的物理力学参数表达式,建立了围岩与加固体协调变形力学模型,并对该模型进行弹塑性力学分析,同时提出了围岩稳定性评价方法,最后将该理论与已有理论和数值模拟进行了对比,研究不同锚杆支护强度对围岩稳定系数的影响。结果表明,通过文中理论得到的隧洞塑性圈半径以及洞壁位移与已有理论的计算结果相比分别相差0.8%和2.1%,并且理论计算值与数值模拟的结果能较好地吻合,从而验证了文中理论的合理性;锚杆长度和锚杆间排距对围岩稳定性影响较大,锚杆支护设计遵循长而疏、短而密的原则;当间排距减小或者预紧力增大时,所需要的最佳锚杆长度有所减小。文中理论可为锚杆支护下的隧洞围岩稳定性研究提供相对简洁快速的定量计算方法。     

砂土地层泥水盾构开挖面孔隙变化特征理论研究

为保证开挖面的稳定,泥水盾构压力舱中的泥浆必须及时在开挖面土体表层形成泥膜,泥浆压力才能有效平衡地层中的水土压力。在考虑泥浆渗滤效应的基础上,建立了砂土地层泥水盾构开挖面泥浆恒压渗透模型,分析了渗透时间、泥浆浓度、泥浆压力和地层初始孔隙率对土体孔隙率及泥浆成膜的影响。结合刀具周期性切削作用,总结了泥浆反复渗透引起的开挖面表层土体孔隙率变化规律。基于刀盘、刀具布置形式和盾构掘进参数,分析了盾构掘进期间开挖面支护机制。结果表明：在无刀具切削作用时,泥浆渗透规律主要受到泥浆和地层特性影响;在刀具周期性切削作用下,在相同的切削深度下,刀具切削周期越短,泥膜在开挖面上越难形成;刀具较小的纵向切入速度有利于开挖面上更快形成泥膜;适当减少刀盘上同一轨迹刀具布置数量,降低盾构掘进速度和刀盘转动速度,有利于盾构掘进期间开挖面上泥膜存在面积的增大,对开挖面稳定起到积极作用。     

基于BOTDR技术的深埋岩溶土洞监测分析

岩溶洞穴发育成地表塌陷影响因素复杂。为了获得岩溶土洞监测标识区域的应力特征,在太沙基松动土压力理论基础上,对岩溶土洞发育历程中松动区竖向土压力进行了分析。松动区的空间位置由洞穴特征及其上方岩土介质的物理、力学性质决定;平面应变和非平面应变条件下,松动区竖向土压力的分布特征差异明显。根据岩溶土洞上方松动区竖向土压力的分布特征,结合BOTDR技术优点,提出应用BOTDR技术监测岩溶土洞的发育,针对光纤监测系统设计中光纤布线型式进行了分析。岩溶土洞应力场变化特征的定量研究对光纤传感技术应用于岩溶土洞监测设计提供理论依据和指导。      

盾构施工对既有建(构)筑地基承载力影响及加固土体稳定性分析

针对目前盾构施工既有建(构)筑地基加固依靠经验,缺乏完善理论作为支撑的现象,有必要研究盾构掘进中、离开后既有建(构)筑地基承载力影响机理及加固后土体稳定性。为了解水泥土加固体的受剪工作状态,开展水泥土三轴试验,结果表明,当偏应力达到屈服之前,(σ_1-σ_3)-ε_1关系近似直线,应变很小,且加固体与未加固土抗剪强度相差甚远,稳定性分析时,不考虑加固体位移及其外侧未加固土对剪力的分担。盾构掘进中,其周围土体受到挤压产生的剪应力,扩散至桩侧形成附加正摩阻力,基桩承载力提高;盾构离开后土体卸荷,桩侧产生负摩阻力,基桩承载力降低。盾构施工中加固体上段内侧受被动或主动土压力,外侧及下段受静止土压力,土压力差产生剪应力,潜在滑动界面产生拉、压应力,并导出加固后土体复合滑动面安全系数公式,通过工程实例验算加固体强度及加固后土体的稳定性。     

基于广义有效应力原理的水土压力统一计算理论

为弥补水土压力合算与分算之间的跳跃,需要建立水土压力统一计算理论。以理想饱和砂土模型为分析对象,在"非充分浮力"和"充分浮力"概念的基础上,从一个全新的角度阐述了有效应力原理公式的物理本质及推导过程;在此基础上,通过引入折减系数,将适用于饱和砂土的狭义有效应力原理扩展到适用于饱和岩石等孔隙发育不充分介质的广义有效应力原理;在广义有效应力的基础上,以水土分算为基础,推导出了水土压力合算与分算的统一计算公式;为解决统一计算公式中的抗剪强度指标选取问题,依据有效应力强度指标和总应力强度指标,推导了统一抗剪强度指标公式。水土压力统一计算公式理论依据充分、推导过程严谨,实现了水土压力计算结果从砂土到黏性土的过渡,具有很强的理论意义和工程应用价值,可为完善土力学基础理论体系提供参考借鉴。     

Suggestion of a method for landslide early warning using the change in the volumetric water content gradient due to rainfall infiltration

An early warning system can be an effective measure to reduce the damage caused by landslides by facilitating the timely evacuation of residents from a landslide-prone area. Early detection of landslide triggering across a broad range of natural terrain types can be accomplished by monitoring rainfall and the physical property changes of soils in real time or near-real time. This study involved the installation of a real-time monitoring system to observe physical property changes in soils in a valley during rainfall events. This monitoring included the measurement of volumetric water content, which was compared with the results of laboratory flume tests to identify landslide indicators in the soils. The response of volumetric water content to rainfall events is more immediate than that of pore-water pressure, and volumetric water content retains its maximum value for some time before slope failure. Therefore, an alternative method for landslide monitoring can be based on the observation of volumetric water content and its changes over time at shallow soil depths. Although no landslide occurred, the field monitoring results showed a directly proportional relationship between the effective cumulative rainfall and the gradient of volumetric water content per unit time (t/t _max). This preliminary study thus related slope failure to the volumetric water content gradient as a function of rainfall. Laboratory results showed that a high amount of rainfall and a high gradient of volumetric water content could induce slope failure. Based on these results, it is possible to suggest a threshold value of the volumetric water content gradient demarcating the conditions for slope stability and slope failure. This threshold can thus serve as the basis of an early warning system for landslides considering both rainfall and soil properties.     

煤巷弱胶结顶板稳定性分析与变形控制技术

煤层顶板为弱胶结岩体时稳定性差,常在煤炭回采过程中或巷道掘进时发生大变形或失稳等现象,维护难度较大。针对煤巷弱胶结粉砂岩顶板力学特征与变形控制等问题,以广西林场煤矿煤巷弱胶结粉砂岩顶板支护工程为工程背景,采用现场调研、实验室试验、理论分析等方法进行研究。通过现场调研,发现研究巷道有顶板岩层自承能力差、受水环境影响、支护结构失效率高、底板受水影响底鼓量大、受采动影响等特征;顶板岩石点荷载试验表明,其单轴抗压强度仅为1.9～ 2.3 MPa,采用电镜扫描发现,弱胶结粉砂岩以粗粒矿物为骨架;在普氏理论的基础上,推导了巷道顶板和两帮承压极限表达式,提出了提高巷道围岩整体强度和承载能力、确定合理的锚杆支护参数、顶板设计锚索加强支护等弱胶结巷道围岩控制要点。依据试验分析与理论研究成果,提出了以注浆加固为基础,锚杆和锚索联合支护的控制方案,并在林场煤矿进行了工业性试验。现场监测数据表明,设计的支护方案可以有效地控制煤巷弱胶结粉砂岩顶板变形。     

Unsaturated structured soils: constitutive modelling and stability analyses

The paper presents a new single-surface elasto-plastic model for unsaturated cemented soils, formulated within the critical state soil mechanics framework, which should be considered as an extension to unsaturated conditions of a recently proposed constitutive law for saturated structured soils. The model has been developed with the main purpose of inspecting the mechanical instabilities induced in natural soils by bond degradation resulting from the accumulation of plastic strains and/or the changes in pore saturation. At this scope, the constitutive equations are used to simulate typical geotechnical testing conditions, whose results are then analysed in light of the controllability theory. The results of triaxial tests on an ideal fully saturated cemented soil and on the corresponding unsaturated uncemented one are first discussed, aiming at detecting the evidence of potentially unstable conditions throughout the numerical simulations. This is followed by similar analyses considering the combined effects of both the above features. For each analysed case, a simple analytical stability criterion is proposed and validated against the numerical results, generalizing the results, and highlighting the crucial role of state variables and model parameters on the possible occurrence of failure conditions.

     

水泥土结构特性的定量化研究

采用电阻率测试技术,通过测试水泥土在强度增长以及压缩过程中的竖向、水平向电阻,探求水泥土在强度增长过程和压缩过程中电阻率特性参数--平均结构因子F、平均形状因子f以及各向异性系数A变化的基本规律,分析了F, f, A与水泥土物理力学特性之间的关系,证实了这3个参数能对土的结构性进行定量分析。     

Reliability Based Earthquake Resistant Design for Internal Stability of Reinforced Soil Structures

This paper presents a method to evaluate reliability for internal stability of reinforced soil structures using reliability based design optimization. Using limit equilibrium method and assuming the failure surface to be logarithmic spiral, analysis is conducted to maintain internal stability against both tensile and pullout failure of the reinforcements. Properties of backfill soil and strength of the geosynthetic reinforcement are considered as random variables. For the seismic conditions, reliability indices of all the geosynthetic layers in relation to tension and pullout failure modes are determined for different magnitudes of seismic accelerations both in the horizontal and vertical directions, surcharge load and design strength of the reinforcement. The efforts have been made to obtain the number of layers, pullout length and total length of the reinforcement at each level for the desired target reliability index values against tension and pullout modes of failure. The influence of horizontal and vertical earthquake acceleration, surcharge load, design strength of the reinforcement, coefficient of variation of soil friction angle and design strength of the reinforcement on number of layers, pullout length and total length of the reinforcement needed for the stability at each level is discussed.     

降雨诱发堆积体滑坡水土响应与稳定性时空演化试验研究

降雨在松散堆积土中入渗引起内部水土力学的变化是影响稳定性的关键。目前研究多侧重考虑颗粒粒径、含量等因素对斜坡破坏的影响,但是针对斜坡体内部水土响应及稳定性时空演化方面的研究存在不足。基于野外滑坡案例,通过室内降雨滑坡模型试验、土力学试验和理论分析手段,研究了降雨触发松散堆积体斜坡变形破坏过程及模式,采用Van Genuchten模型（VG模型）重构了土体的土-水特征曲线,重点探究了斜坡内部水土力学变化以及稳定性时空演化规律。结果表明：（1）堆积体斜坡破坏经历了微裂隙发育-局部破坏-整体破坏3个阶段,呈现出“初期拉裂-坡面坍塌-塑性滑动”的破坏模式;（2）入渗过程斜坡体积含水率以及孔隙水压力急速增加,而土颗粒之间基质吸力下降甚至消散,促进了斜坡破坏发展;（3）土体力学强度随体积含水率升高呈指数下降,体积含水率为36.3%时,有效黏聚力和有效内摩擦角仅为0.27 kPa、3.39°;（4）基于极限平衡理论和斜坡土水特征监测数据,构建了斜坡稳定性时空演化图谱,与模型试验破坏特征有较好的一致性。研究结果对降雨作用下的堆积层斜坡监测预警与防灾减灾提供理论支撑。     

型钢水泥土复合梁中型钢-水泥土相互作用试验研究

在深度不太大的基坑而条件适当时可采用小规格型钢加筋水泥土结构作为挡土墙,但对其破坏模式和刚度仍缺乏深入地研究。与以型钢刚度为主的SMW工法不同,加筋水泥土墙的刚度可能主要依赖于水泥土,型钢主要承担拉应力。打设了6根不同截面高度的模型梁,采用钢板模拟型钢作为加筋,以不同加载方式的水泥土复合梁抗弯试验,分析了试验条件下钢板-水泥土复合梁的破坏机理和抗弯组合强度和抗弯承载力。将复合梁的刚度变化划分为两个阶段,提出了分阶段的特征组合刚度计算方法。当承载力满足足够安全度要求时,建议工程设计时取第一阶段末的特征刚度来计算加筋水泥土挡土墙变形。     

环境侵蚀下水泥土的强度及细观破裂过程分析

研究了环境侵蚀下水泥土的细观破裂行为,利用中国科学院武汉岩土力学研究所的岩石破裂过程细观力学试验系统,对在各种侵蚀环境中侵蚀一定时间的水泥土细观试件进行了一系列破裂过程试验,实时观察并用显微数码摄像系统记录了水泥土试件的细观破裂全过程,得到了水泥土的应力-应变关系曲线及其对应显微图像。研究结果表明,环境侵蚀后水泥土的细观破坏特征主要有两类,即弹塑性破坏和脆性破坏。细观试验是研究环境侵蚀下水泥土破坏过程的有效手段。     

受承压水作用的基坑底板临界厚度的确定方法

分析了承压含水层补给区水位上升时承压含水层上基坑底板土层孔隙水压力和有效应力的变化规律。根据基坑底板土的渗透性及其破坏机制,基于弹性力学理论,按受弯拉裂破坏模式和剪切破坏模式计算确定基坑底板土层临界厚度,通过算例和分析,与传统确定临界厚度的计算方法进行了对比。研究表明,提出的基坑底板土层临界厚度的确定方法能考虑土的抗剪强度指标cu和?u以及底板尺寸的影响,比传统计算方法更合理。然而,对于如砂土这类强渗透性土而言,文中方法求解的结果可退化为传统方法的解。