北疆侏罗系与白垩系泥质砂岩物理力学特性对比分析及其能量损伤演化机制研究

特殊的地理、气候条件及工程地质的复杂性决定了在北疆地区软岩地层中修建引水隧洞的设计施工难度较大。隧洞成拱效应与围岩自稳能力差,围岩渗透性强,遇水软化特性显著,极易产生软岩大变形甚至坍塌失稳灾害。为进一步研究北疆地区侏罗系与白垩系泥质砂岩的物理力学性质、遇水软化特性与能量损伤演化机制,开展了二者的单轴压缩、常规三轴与单轴蠕变试验。研究结果表明：两种岩石均富含黏土矿物,白垩系泥质砂岩的粒径分配更好,但其胶结程度较差,导致其强度稳定性与地层波速相对较低。低围压条件下,两者均以环向变形与体积扩容为主,但随着围压升高,其破坏模式由体积扩张过渡到体积压缩类型。高围压加载会造成岩石内部损伤,从而导致其抗压强度的降低。遇水后,两种岩石的延塑性与应变软化特性均明显增强,白垩系泥质砂岩的遇水软化特性更为显著。白垩系泥质砂岩的蠕变特性更为显著,两者的长期强度接近其单轴压缩损伤应力值。两种泥质砂岩的能量损伤演化过程均呈现S型变化规律,侏罗系泥质砂岩的能量硬化特性更为显著,白垩系泥质砂岩会更早地进入到能量硬化与能量软化阶段。     

锦屏二级水电站隧洞无盖重高压固结灌浆试验

水工隧洞高压固结灌浆的目的是加固隧洞围岩、封闭隧洞周边岩体裂隙,提高隧洞围岩的整体性和抗变形能力,增强围岩抗渗能力和长期渗透稳定性。主要介绍了引水隧洞在未进行混凝土衬砌的条件下实施高压防渗固结灌浆施工的试验及其成果,为该类洞段灌浆设计和施工提供依据。     

大埋深高地应力硬岩TBM隧洞围岩破裂变形规律研究

大埋深、高地应力隧洞围岩变形问题是制约TBM隧洞安全及高效施工的关键性因素之一。隧洞埋深大、地应力高、岩石强度高、工程条件复杂,在施工过程中因开挖卸载,围岩变形随时间及应力集中程度不同表现出不同的破裂变形形式,引发拱顶沉降、拱底隆起,严重威胁施工人员及机械设备安全。本文选取引汉济渭工程秦岭隧洞岭北段K45+534.70~K45+701.92区间,分析了围岩破裂形式、隧洞拱肩及拱顶变形特征,探讨了高地应力条件下围岩破裂变形过程,揭示了围岩破裂变形规律及内在机制,提出了高地应力硬岩隧洞围岩破裂变形支护措施。结果表明:大埋深、高地应力围岩在切向应力作用下发生以劈裂为主的张剪破坏,表现为岩爆及静态脆性破坏(片帮、溃屈、板裂)两大类。隧洞围岩破裂变形分为急剧变形、快速变形及缓慢变形3个阶段,前两个阶段可达总变形量的60% ~80%;隧洞拱顶变形随应力条件不同可能出现二次甚至三次加速变形,初次加速主要原因为张开裂隙、岩板剪胀及部分岩板挠屈弯折,发生速度快、持续时间短;二次加速主要由岩板挠屈弯折及岩块碎胀引起,变形速度小但持续时间长。针对高地应力隧洞围岩破裂变形特征,提出了包括吸能锚杆、钢筋挂网、钢纤维混凝土等在内的围岩支护措施,为相似工程TBM隧洞安全高效施工提供了工程经验与理论依据。     

水岩耦合下的红层软岩微观结构特征与软化机制研究

水岩长期作用下红层软岩体现出成岩作用差、易风化、易软化崩解等特点,给软岩工程设计与施工带来挑战。以滇中红层软岩地区所取泥岩试样为研究对象,首先对自然和饱水状态下岩样进行单轴和三轴压缩试验,分析水岩作用下软岩的力学特性;然后采用X射线衍射技术对不同含水状态下软岩微观结构进行对比研究;最后基于试验结果对滇中地区红层软岩遇水软化机制进行了探讨。研究结果表明:水岩作用下软岩力学性质劣化明显,岩石峰值抗压强度显著降低,岩体破坏程度提高;软岩黏土矿物颗粒吸水膨胀,微观结构由致密的团粒状转变为疏松多孔的不规则片状和鳞片状结构;伊利石等黏土矿物与水反应,产生的不均匀应力和大量微孔隙导致软岩内部结构破坏;红层软岩的遇水软化机制包括软岩矿物的溶蚀和次生作用、黏土矿物的吸水膨胀与崩解、软岩与水作用导致颗粒间胶结连结破坏等。     

金坪引水隧洞围岩变形稳定性评价

金坪引水隧洞埋深较大,部分洞段岩体强度较低,洞室开挖后由于二次应力的作用围岩有可能产生变形,因此合理的评价隧洞围岩变形稳定性问题具有重要的工程意义。鉴于此,文章针对金坪引水隧洞围岩变形稳定性问题,对隧洞在大埋深环境下的围岩应力分布特征进行了数值模拟分析,利用与围岩的应变率和岩体抗压强度相关的两种评价方法,分析了可能发生围岩变形的部位和洞段,对引水隧洞围岩变形稳定性做出了综合评价。     

千米深埋隧洞高地应力稳定分析及其工程应用

在深埋隧洞勘察设计和施工过程中,高地应力的存在,是影响洞室稳定的重要因素。作为南水北调西线隧洞的天然试验工程,引大济湟工程的千米埋深引水隧洞也面临高地应力下硬岩岩爆和软岩塑性变形问题。根据引大济湟工程地勘资料,拟定硬岩和软岩的典型物理力学参数。应用ANSYS有限元分析程序对围岩进行稳定性分析,在重力地应力场和全地应力场下,按线弹性法和弹塑性法计算,分析比较得到了不同埋深条件的硬岩和软岩的变形分布特性、最大拉应力分布特性、最大压应力分布特性及可能岩爆区和塑性变形区分布、剪切破坏区分布。分析成果较好地应用于引大济湟工程实践,同时也反应出施工阶段的跟踪复核的重要性。     

陕北地区饱和红黏土隧洞工程特性及施工方法初探——以榆林黄河东线引水工程为例

榆林黄河东线引水工程以输水隧洞为主,其中秃尾河以西段隧洞围岩大部分为新近系饱和红黏土,该类洞室的稳定性是隧洞施工的关键问题。通过详细地质调查,结合室内试验,对红黏土的工程特性进行研究,利用有限元方法计算因隧洞开挖带来的变形量,并采用HSS弹塑性本构模型,对钻爆法施工时的饱和红黏土隧洞围岩稳定性进行数值模拟计算,结果发现:隧洞采用钻爆法开挖时,洞室产生的位移变形迅速且位移量大,特别是深埋段,开挖后下沉量最大可达30 cm,而采用盾构法施工时,洞室顶部位移最大仅为12 mm,表明盾构法施工能够很好地控制周围地层的变形,对周围环境影响很小。研究结果证明了传统钻爆法开挖洞室稳定性差,盾构法施工更适宜于该类隧洞的结论。     

海底隧道风化花岗岩流变试验研究

采用全自动三轴流变试验机对厦门东通道海底隧道风化槽地段岩石进行三轴压缩流变试验,研究了岩石在不同围压和不同应力水平作用下轴向应变随时间的变化规律。试验表明,强风化花岗岩时效特性较全风化花岗岩更加明显;围压对岩石蠕变变形存在很大影响,围压越大,蠕变变形量越小。通过分析岩石压缩流变过程中应力-应变关系可知,蠕变变形在弹性阶段不对岩石整体构成明显损伤。而进入塑性阶段后,黏塑性变形对岩石破坏影响较大。建议通过支护增加围压,以提高隧道围岩屈服强度和减小流变变形,防止隧道失稳破坏。     

高温周期变化与高围压作用下大理岩力学特性试验研究

为了探讨温度周期变化与高围压对大理岩变形、强度特性及破坏断裂损伤劣化的影响,采用MTS815.03电液伺服刚性岩石试验系统,选取四川凉山雅砻江大河湾锦屏二级水电站引水隧洞围岩大理岩试样分别进行不同温度变化（100～ 600 ℃）,周期次数为8次。进行高围压（60 MPa）作用下全应力应变过程三轴压缩与单轴压缩对比试验,系统分析比较了温度循环与高围压作用对大理岩应力-应变关系曲线、峰值应力、残余应力,峰值应变、残余应变以及弹性模量等的影响。试验结果表明,大理岩随着温度升高,峰值强度、残余强度、弹性模量下降,峰值应变和残余应变随之增大;在同一温度下,随着循环次数增加,其弹性模量、峰值强度、残余强度降低,温度越高,降低越明显;多次循环后,岩石的脆性变大,应力-应变曲线峰后段不再平滑,残余应变变小,其研究成果为锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定性分析提供理论依据。     

厦门海底隧道围岩流变特性及其特征曲线

厦门海底隧道是我国建设的第一条海底公路隧道,其穿越的F1,F2,F3,F4共4条断层破碎带,洞体围岩软弱、破碎,流变属性十分明显。对该类岩石进行了室内三轴压缩流变试验。试验结果表明,幂律型蠕变模型可以用来较好地模拟该类岩石除第三阶段蠕变以外的蠕变行为,并得到幂律型蠕变模型的相关流变参数。将幂律型蠕变方程和Drucker-Prager屈服准则相耦合来描述岩体的非线性黏弹塑性特性,应用数值方法研究了该隧道围岩的变形特性及其特征曲线。     

泡沫混凝土预留变形层对深埋软岩隧道长期稳定性影响研究

泡沫混凝土的单轴和三轴试验研究表明,泡沫混凝土具有较高压缩性和良好延性,可以作为深埋软岩隧道初期支护与二次衬砌之间预留变形层填充材料,分析了其对宜巴高速公路深埋软岩隧道长期稳定性的影响。研究表明,深埋软岩软岩隧道在二次衬砌施工之后依然会产生较大的蠕变变形,单纯依靠提高二次衬砌的厚度,并不能完全控制住围岩的蠕变变形,而且衬砌结构很容易由于变形压力过大而发生破坏。泡沫混凝土预留变形层,可以很好地吸收围岩蠕变变形,缓解二次衬砌承担的蠕变变形压力,减小衬砌的变形,改善其受力,采用厚度较小的二次衬砌即满足隧道长期运营的要求。     

An elasto-viscoplastic model for soft rock around tunnels considering overconsolidation and structure effects

When evaluating the long-term stability of existing tunnels, the creep behavior of soft rock around the tunnel should be properly considered. It is also important to understand the failure mechanism of soft rock when designing the mitigation and remediation of the failure around a tunnel. In this paper, an elasto-viscoplastic model is first modified so that the overconsolidation effect and the structure effect of soft rock can be considered. Then, the performance of the modified model is confirmed with drained triaxial compression tests and creep tests on a manmade rock produced with gypsum and diatom clay. Based on the modified model, finite element analyses are conducted to simulate the model tests of an existing tunnel constructed within manmade rock. Two kinds of model tests are simulated: one is loading failure test and the other creep failure test. The good agreement between the numerical results and the test data validates the performance of the modified constitutive model and the applicability of the corresponding FEM for evaluating the creep failure behavior of an existed tunnel constructed in soft rock.     

跨海峡海底隧道风化槽围岩力学特性研究

厦门海底隧道工程是我国建设的第一条海底公路隧道。隧道在建设过程中穿越F1～F4 四条断层破碎带,破碎带处洞体围岩软弱、破碎,岩石主要为风化破碎类花岗岩,该类岩石尤其是强风化花岗岩强度低,压缩性高,自稳和自承能力差,给隧道衬砌结构的设计和施工工艺的选择带来一系列特殊的问题。通过对风化破碎类花岗岩（主要包括微风化花岗岩和强风化花岗岩）试样进行一系列的室内试验,重点研究风化槽花岗岩的力学行为。强风化花岗岩三轴压缩试验及流变试验表明：强风化花岗岩强度低、变形大、弹性模量低,在达到峰值后,有明显的塑性流动,通过Mohr-Coulomb准则得到强风化花岗岩的摩擦角 约为31°,黏聚力约为0.1 MPa,且该岩石具有明显的流变特征。在流变试验的基础上,建立适合风化槽围岩特点的流变力学模型。其研究成果为海底隧道风化槽隧道围岩注浆加固和衬砌设计提供可靠依据和技术支撑。     

初期支护对软岩隧道围岩稳定性和位移影响分析

软弱岩体隧道开挖后,围岩变形具有异常显著的流变性。基于Poyting-Thomoson模型,对隧道围岩位移进行了粘弹性解析分析,根据所得出的解析解,结合渝（重庆）沙（长沙）高速公路石龙隧道位移监控量测实践,对初期支护后隧道围岩变形特征量进行了分析对比,结果表明,理论曲线能较好地反映围岩实际位移变化特征。最后通过将支护前后围岩受力状态与单轴和三轴应力状态岩石蠕变进行类比,得知初期支护在一定程度上减小了围岩的最终变形量,可以有效地抑制隧道围岩的变形速率。其结果为确定合理的二次支护时机提供了理论依据,对同类隧道的施工支护具有很好的指导意义和较高的参考价值。     

隧道衬砌结构三轴压缩蠕变特性试验研究

使用MTS-815液压伺服系统对隧道衬砌的混凝土试件进行了三轴压缩蠕变试验,当压缩蠕变强度达到混凝土试件抗压强度的85%时进入加速蠕变阶段。分析了隧道衬砌混凝土三轴压缩蠕变变形的特点,确定采用摩尔-库仑准则和Burgers模型串联组合而成的黏弹塑性模型可以合理地描述衬砌混凝土的蠕变特性。组合模型的黏弹性状态与Burgers模型一致,塑性状态与Mohr-Coulomb模型一致,它不仅能够反映衬砌结构蠕变的全过程,且能模拟材料的黏弹塑性变形特性,解决了典型Burgers蠕变模型只能描述黏弹性蠕变的缺陷。同时也研究了三轴试验条件下组合蠕变模型参数的求解方法,得到隧道衬砌混凝土的蠕变参数。     

软弱破碎围岩隧道炭质页岩蠕变特性试验研究

采集贵广铁路天平山隧道典型软弱破碎围岩岩样,在室内开展三轴常规压缩和三轴压缩蠕变试验。基于岩石试验成果,分析炭质页岩的蠕变力学特性,低应力水平条件下岩石仅出现减速蠕变和等速蠕变阶段,在更高的应力水平条件下,岩石并未出现加速蠕变的现象,但围压在一定程度上提高岩石的屈服强度,弹性模量亦有随着围压增加而增大的趋势。据此,建立依托工程炭质页岩蠕变全过程的黏弹塑性应变软化蠕变力学模型,推导该蠕变力学模型在三维应力状态下的本构方程,并确定模型的参数,运用最小二乘法对模型的参数进行辨识。通过与试验曲线对比显示,所建蠕变模型能够描述依托工程炭质页岩的蠕变力学特征,可以用来研究该隧道软弱破碎围岩的蠕变性质和稳定性。     

软黏土蠕变特性试验研究：回顾与发展

大量的室内和现场试验表明软黏土存在长期变形难以收敛的问题,为了更深入地认识软黏土的蠕变特性,首先,从微观物理化学角度探讨蠕变机制;然后,深入分析一维应力条件下次固结系数的演变规律以及确定方法和三轴排水、不排水蠕变特性及黏土的长期抗剪强度、室内旁压试验和现场试验等复杂应力下的黏土蠕变特性等,并且讨论黏土蠕变特性与应变速率和应变松弛特性在一维和三轴条件下的关联性;最后,从黏土次固结特性与微观结构的相关性、如何准确描述次固结系数的非线性及蠕变过程中应力剪胀剪缩关系发展等三方面更深入地探讨软黏土蠕变特性。     

浅埋双连拱隧道围岩边坡体系变形机理及稳定性分析

双连拱隧道是一种新的隧道形式, 由于其整体跨度大、结构复杂、施工工序繁琐, 在地形偏压、地质条件复杂的情况下修建双连拱隧道难度较高, 尤其在洞口段容易出现衬砌开裂、边坡变形等一系列工程问题。结合安徽铜黄高速公路汤屯段富溪隧道进口段工程, 采用地质条件研究与数值模拟分析相结合的研究手段, 对复杂地质条件下偏压双连拱隧道围岩① 边坡体系在施工过程中应力应变发展过程进行了研究。综合分析表明, 富溪隧道进口段处于F5断层影响带内, 岩体呈碎裂结构,同时, 受到地形偏压影响, 隧道开挖后衬砌和围岩表现为沉降变形和侧向变形, 进口边坡在隧道围岩变形的诱导下, 表现为蠕滑- 拉裂变形破裂。根据以上研究成果, 提出了富溪隧道变形治理应以控制进口段隧道拱顶的变形为主。