浅埋隧道冻结法施工地表冻胀融沉规律及冻结壁厚度优化研究

浅埋隧道对地表冻胀、融沉变形有严格要求。针对珠机城际轨道交通项目联络通道冻结壁设计改进问题,基于热-力耦合理论,利用有限差分数值计算方法对冻结法施工全过程进行模拟,通过比较研究不同厚度冻结壁模型引起的地表冻胀、融沉变形及隧道管片变形规律,实现冻结壁厚度的优化设计。研究表明:(1)该数值模型可有效模拟地表冻胀、融沉变形,利用已查明数值误差对计算结果进行折减可得到较为准确的实际变形预测值;(2)不同模型地表冻胀、融沉规律大致相同,但变形量及影响范围随冻结壁厚度减小呈递减趋势,当冻结壁厚度为2.5 m及以下时变形基本满足规程要求;(3)土体冻胀、融沉变形并非简单的互逆过程,融沉变形通常大于冻胀变形,平均超出量达40%,应特别注意;(4)冻结壁厚度越大相应产生的冻胀力越大,通过优化冻结壁厚度可有效控制隧道管片附加应力及变形的产生,保护已建隧道结构安全;(5)综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度,成果直接应用于4#联络通道冻结法施工,经现场监测表明该优化方案有效、可行,对类似工程冻结壁厚度设计具有较好的推广应用价值。     

基于流固耦合理论水下隧道冻结壁厚度优化研究

水下隧道对冻结壁厚度设计有特殊要求,针对珠机城际轨道交通项目下穿马骝洲水道段联络通道冻结壁设计改进问题,基于流固耦合分析理论,利用有限差分数值计算方法对水下隧道冻结壁稳定性进行研究,通过对不同厚度冻结壁响应情况的对比研究,实现对于冻结壁厚度的优化设计。研究表明：(1) 相较无渗流模型,流固耦合模型冻结壁应力分布规律相同,但整体量值增大明显,水的作用不可忽略;(2) 水的存在使冻结壁受力趋于“均匀”,应力集中现象缓解,但高剪应力区范围扩大,使其剪切破坏风险加大,且冻结壁受力形式有从受压向受拉改变的趋势,对结构稳定不利;(3) 冻结壁在流固耦合作用下变形加剧,且随厚度减小而愈发显著,模型厚度达到2.0 m以上时变形基本稳定;(4) 流固耦合模型塑性区多集中于两侧拱脚区域,3.0 m和2.5 m模型整体完好,2.0 m模型两侧拱脚出现相向发展塑性区,1.5 m模型塑性区厚度接近贯穿,1.0 m冻结壁拱脚已形成明显贯穿破坏;(5) 综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度,成果直接应用于4#联络通道冻结法施工,经现场监测表明该优化方案有效、可行,对类似工程冻结壁厚度设计具有重要的推广应用价值。     

人工冻结法在玄武湖水下交通隧道的应用方案

介绍了人工冻结法在玄武湖水下交通隧道中的应用方案以及冻结法的施工工艺,分析了采用人工冻结法的特点及优势。     

深土地压及对冻结壁厚度的影响

在对深厚表土中地压计算公式总结的基础上,根据冻结凿井的施工力学行为过程探讨了深厚表土中地压特点;通过深部重塑土的高压Ko固结水平加（卸）荷试验,获得了挤压（松弛）应力Ps与水平挤压（松弛）位移占之间的关系式,并进一步分析了忽略挤压（松弛）应力Ps造成的深土地压及冻结壁厚度的计算误差;对深厚表土的地压应根据冻结凿井施工过程确定,以避免重大工程事故。     

地铁超长水平冻结法冻结壁形成特性研究

根据带相变瞬态温度场的传热控制微分方程,应用数值方法分析了地铁超长水平冻结法温度场分布规律,模拟冻结壁形成过程.应用准三维方法将三维问题转化为二维问题,通过对冻结管沿程水平方向盐水温度分布的计算,分析水平方向冻结壁发展的差异性规律.结果表明:对于地铁超长水平冻结法施工,冻结管沿程冻结壁发展存在较大差异,包括冻结壁交圈时间、冻结速率,冻结壁厚度等.为以后水平冻结法施工冻结壁形成过程的预测与评价提供了方法,同时该方法也可以用于竖井冻结施工中冻结壁形成的分析和研究.     

基于压力拱理论的水下隧道合理覆岩厚度研究

建立了水下隧道流固耦合数值模型,通过正交试验优化计算方案,分析土岩复合地层和全断面岩层拱顶竖直方向上围岩压力拱的成拱规律,并据此提出以成拱临界板厚为判据求解水下隧道合理覆岩厚度的思路,建立水下隧道合理覆岩厚度回归模型,并通过BP神经网络模型对回归模型进行评价与校验,结合佛莞城际狮子洋隧道工程,进行了合理覆岩厚度回归模型的应用算例分析。研究表明：土岩复合地层上覆岩层岩性较好时,压力拱高度主要受覆岩厚度影响,上覆岩层岩性较差时,压力拱高度主要受上覆软土厚度影响;压力拱高度随覆岩厚度增加线性增加,达到成拱临界板厚时,逐渐减小随后趋于稳定,上覆岩层岩性越差,成拱临界板厚越大;全断面岩层压力拱高度随覆岩厚度的变化比土岩复合地层平稳。算例分析表明,以成拱临界板厚为判据建立的合理覆岩厚度模型能给出较优的覆岩厚度预测值,可为土岩复合地层水下盾构隧道的设计和施工提供参考。     

基于OpenFOAM与PFC耦合方法的水下滑坡数值模拟研究

水下滑坡是常见的地质灾害之一,为解决离散元PFC难以模拟水下流体环境的问题,提出采用计算流体力学OpenFOAM与离散元PFC耦合的计算方法。针对流固耦合中的尺度相似性问题,提出了适用于该耦合方法的相似性方法并验证了其可行性。通过典型案例分析了基于该耦合方法的水下滑坡动力学特性及堆积形态,并与单向耦合水下滑坡和陆上滑坡结果进行了对比。结果表明该耦合方法能够较好地模拟水下滑坡运动规律,主要表现为滑坡体前端厚度较大并呈椭圆面;水下滑坡运动过程和堆积形态与陆上滑坡差异较大,OpenFOAM-PFC双向耦合与单向耦合方法相比具有优越性。     

人工冻结壁变形的模型试验研究

冻结壁变形模型试验结果表明,冻结壁变形与冻结壁高度、偏应力及平均温度等均有密切关系。试验发现冻结壁最大变形的位置并不是一定在一固定空间位置,而是随着偏应力的增加而逐渐下移。     

水下盾构隧道渗流场应力场耦合效应研究

在高水压条件下施工水下盾构隧道,渗流场对于结构及围岩应力场有很大影响。结合重庆主排水过江盾构隧道的修建,针对不同水压情况下的盾构隧道,采用有限元法对围岩及结构的渗流场和应力场进行耦合分析,获得施工期管片应力、位移及孔隙水压力分布。重点研究了管片的水压力分布规律,并与现场试验进行相互验证。结果表明：耦合效应下隧道管片需要承担更大的拉力,在设计中应按更不利工况进行配筋。所得结论为类似工程的设计施工提供有了益参考及依据。     

竖井圆形冻结壁弹性设计理论的对比研究

对井筒冻结壁弹性设计理论的3个解析公式进行对比分析,用图解的方式展示出用叠加原理求解基于冻结壁和围岩相互作用的力学模型两种方法,揭示冻结壁外缘载荷随冻结壁厚度和刚度变化的规律。通过对用3种冻结壁厚度公式设计的差异性分析,说明采用重液公式确定拉梅公式中载荷的不合理性,提出基于太沙基有效应力原理的自重初始应力场计算方法。结合案例,比较3种解析公式得到的地层原岩水平载荷和冻结壁厚度的函数关系,用定义域和值域的数学原理研究各个冻结壁弹性设计公式的适用范围,阐释其工程实际意义,并就弹性设计的实用意义进行审慎性评述。     

基于流固耦合理论某尾矿坝失稳特性及稳定性分析

选用典型的尾矿库工程实例,采用流固耦合和强度折减法相结合对其尾矿坝进行稳定性分析,确定尾矿库渗流场分布及浸润线的位置,该浸润线位置与实测浸润线位置吻合较好。建议强度折减过程中尾矿坝的失稳准则,计算安全系数,确定潜在滑裂面的位置,并与极限平衡法计算出的安全系数及临界滑裂面位置进行比较,表明强度折减法得出的结果与Bishop法结果接近,流固耦合-强度折减法在尾矿库稳定性分析的可行性。在该基础上研究尾矿坝潜在的失稳模式,将尾矿坝潜在的失稳模式分为局部失稳和整体性失稳两种,局部失稳为尾矿坝的部分坝面发生滑移,整体失稳为整个尾矿坝坝体发生失稳,并分析导致该尾矿坝两种失稳模式的主要因素,认为浸润线埋深过浅是导致局部失稳的主要原因。     

冻土三轴蠕变特性试验研究及平面冻土墙厚度的确定

主要是对冻土的三轴蠕变特性进行分析研究,从而进一步确定具有明显流变特性的平面冻土墙的厚度。通过对冻土的流变特性进行理论分析,建立了冻黏土在复杂应力状态下的对数型蠕变方程。采用“低温箱-三轴压力室”轻型试验设备系统对人工配制的冻黏土试件进行了三轴蠕变试验,获得了冻黏土在复杂应力状态下的蠕变曲线。根据试验结果,对冻黏土的对数型非线性蠕变方程进行回归分析,得到了冻黏土对数型蠕变方程参数的数值。根据冻土流变理论和所建立的蠕变方程,以及平面冻土墙的厚度计算公式,利用Visualc++ 6.0和Matlab 6.0技术开发了冻土墙厚度计算的计算机应用软件。分析研究了平面冻土墙厚度与跨度、基坑暴露时间、基坑开挖深度的关系。平面冻土墙厚度随时间的延长在短期内具有急速增长的趋势,而后随时间的延长逐渐趋于稳定;平面冻土墙厚度受其跨度的影响较小,但随基坑开挖深度的加深具有逐步增长的趋势;温度对平面冻土墙厚度的影响显著,温度越高,厚度越大,所以,控制温度是平面冻土墙设计中的关键。从而为蠕变变形较大的平面冻土墙的厚度确定提供了依据。     

非饱和土中的流-固耦合研究

概述了非饱和土变形．渗流相互作用的多相流一固耦合理论的研究进展。重点讨论了在理论研究和实际应用方面所存在的几个主要问题，其中包括理论控制方程组描述、土．水特征曲线、固体骨架的弹塑性本构模型以及各种数值算法等研究。另外，就该理论在降雨入渗滑坡、土体的蒸发固结效应等问题的应用进行了简单的讨论，并指出了目前应用的热点和新的研究领域。研究结果表明，进一步发展非饱和土流．固耦合理论对解决非饱和士力学和环境地质灾害的工程问题有着重要的意义。     

水中填筑围堰边坡稳定的流-固耦合分析

详细地介绍了在流-固耦合分析过程中,特征时间和渗透边界条件的给定方法。并将其应用到泰安抽水蓄能电站围堰的流-固耦合分析中,同时,分析了基础开挖过程对围堰和基础边坡稳定性的影响。在开挖过程中,由于给定了透水边界和较合理的特征时间,最终结果表明,围堰和基础内的孔隙水压力明显下降,是由于开挖后透水边界增长,以及计算流体的特征时间增长的缘故。说明了用FLAC进行流-固耦合分析时,考虑特征时间和渗透边界条件是很重要的。     

基于流固耦合的围岩后注浆对大型水封石油洞库水封性影响分析

基于多孔弹性连续介质流固耦合理论,通过合理选取围岩主要物理力学参数,建立了大型石油储备地下水封洞库全断面开挖后洞室涌水量计算模型,利用大型商业软件Comsol对黄岛国家石油储备地下水封洞库地下水渗流场和位移场进行数值模拟分析。通过不同注浆方案及不同注浆厚度情况下地下水渗流量的比较分析发现,并不是注浆圈的厚度越大对洞室渗水量的控制效果越好,而是存在相对经济合理的阈值。研究表明,最佳的注浆方式是形成全断面闭合注浆圈,最佳注浆厚度为5 m。     

季节冻土地区人工冻土墙的冻结特性研究

季节冻土层中的地温呈非线性分布,改变了冻土墙形成时的初始温度条件以及形成后的结构形式。有季节冻土条件下形成深6 m、厚1.4 m的冻土墙较无季节冻土的情况可减少冻结时间15 d,减少冷能消耗60 %,经济上有极大优势。通过数值模拟,得到了能量消耗与时间关系曲线、冻结管热流密度与深度关系曲线、冻土墙的厚度与时间关系曲线、冻土墙的厚度与深度关系曲线等,可见季节冻土层的存在显著提高了冻土墙的厚度发展速度,减少了冻结时间,降低了冷能消耗。模拟了49种工况,对冻结管直径、冻结管间距、冻结时间、冻土墙平均温度、冻土墙厚度等数据进行了非线性回归分析,得到冻土墙厚度与时间成对数函数关系、平均温度与时间成反比例关系的相关表达式,为人工冻结技术的合理运用和推广提供了理论依据。     

隧道水平冻结壁强制解冻期地表沉降的预测方法

考虑冻结壁的强制解冻过程,采用随机介质理论,建立了隧道水平冻结壁强制解冻期地表沉降的预测方法,并提出强制解冻条件下冻结壁温度场由单管解冻理论近似求解,基于所推导的单管解冻理论和崔托维奇提出的一维情况下融土层稳定融沉量公式,确定了预测方法中融土柱半径和融缩区域内半径的取值方法。将所建立的预测方法应用于隧道全断面水平冻结工程中,得到了地表沉降随强制解冻时间的分布及变化规律。研究结果表明,在冻结壁强制解冻期,其地表沉降分布规律与自然解冻期相似,但地表沉降随解冻时间呈线性增长趋势,这一特征与自然解冻期有所不同。     

流固耦合作用下页岩破裂过程的数值模拟

为探究流固耦合作用下页岩的破裂过程和声发射特征,利用RFPA^2D-Flow数值软件分别对黔北地区牛蹄塘组不同层理倾角页岩进行流固耦合数值模拟。研究表明：由于层理结构的影响,页岩抗压强度和弹性模量均表现出明显的各向异性。页岩的破裂过程可分为弹性、屈服和破坏3个阶段,随着层理倾角的变化,页岩最终表现出3种破坏模式,分别为斜I型、V型和火焰型。层理倾角不同的页岩,其破裂过程中的声发射信号演化规律不同。对低层理倾角（0°、15°、30°）的试样,累计AE曲线表现为“平缓—线性—台阶—平缓”的变化规律;高层理倾角（60°、75°、90°）试样的累计AE曲线呈现“平缓—线性—陡增”的变化规律;当α=45°时,累计AE曲线表现为“平缓—线性—激增—平缓—激增”的变化规律,且其AE计数出现两个峰值。