劈裂注浆复合土体平面等效弹性模型理论研究

控制隧道开挖引起的土体沉降变形是劈裂注浆的主要目的之一,隧道在劈裂注浆后复合土体的等效弹性参数取值直接关系着隧道在劈裂注浆后沉降变形的预测精度。首先在对已有劈裂扩散模型研究的基础上,按面积等效原则提出了隧道劈裂注浆后复合土体的二维简化等效单元体模型,并基于均质化理论按变形协调原则推导了二维简化单元体模型的等效弹性参数解析解。然后采用有限元方法分别计算并分析了模型在简化前后的等效弹性参数;同时把二维简化等效单元体模型的有限元计算结果和解析计算结果也做了对比分析。最后基于解析结果分析了土体和浆液结石体各自的弹性参数以及浆液注入率对等效弹性参数的影响。结果表明：（1）按面积等效原则对模型进行简化处理的方法是可行的,可以按照简化模型进行弹性阶段的理论分析;（2）解析结果与有限元结果具有良好的一致性,说明了解析结果的合理性;（3）复合土体的等效弹性模量和等效泊松比主要受浆液注入率和浆液固结体本身模量的影响;浆液固结体的泊松比对等效弹性模量的影响几乎可以忽略。     

非对称荷载作用下土体劈裂注浆压力分析

为研究在非对称荷载作用下土体劈裂注浆压力,基于扩孔理论和统一强度准则并考虑非对称荷载的作用,建立基于扩孔理论的劈裂注浆启劈压力分析模型,推导出浆泡周围塑性区土体的应力场、位移场、塑性区半径以及启劈注浆压力的理论解答,并以工程算例进行论证。结果表明,考虑对称荷载作用下的启劈注浆启劈压力较考虑非对称荷载作用下的值要大,对称荷载作用下的分析方法低估了塑性区半径;无论是柱形劈裂还是球形劈裂,当 1时,启劈压力会随着 的增大而增大,塑性半径会随着 的增大而明显减小;当 1时,启劈压力会随着 的增大而减小,而塑性半径的变化是有限的。预先了解土体的初始应力条件对正确的确定劈裂注浆启劈压力至关重要,可为劈裂注浆的设计和施工会提供更加完善的理论依据。     

复合地基等效弹性参数研究

考虑复合地基边界约束条件的影响,采用复合地基单元体模型,基于变形一致的原则,推导了复合地基在弹性变形阶段的等效变形模量和等效泊松比的解析解。研究表明,复合地基的等效弹性常数与复合单元体侧向约束条件有关,侧向约束越强,等效变形模量越大,泊松比越小。侧限条件和无侧限条件的等效弹性常数是复合地基各种约束情况下的2个极值,在较强的侧限约束条件下,等效泊松比随置换率的变化相对明显。研究还表明,按面积加权法计算的复合变形模量偏小,而计算的复合压缩模量偏大,等效压缩模量与加权法计算的差值随置换率不同而异,并随着桩土压缩模量比的增大而增加,其差异一般可达20%～30%     

基于弹性力学的诱导劈裂注浆机制分析

针对隧道内水平超前劈裂注浆中浆液劈裂方向随机性的问题,提出一种诱导劈裂注浆方法,可以控制和改变浆液的劈裂方向。首先,基于弹性力学理论及其基本假定,分析竖向地应力大于水平地应力条件下对单一土层进行劈裂注浆时浆液沿竖向劈裂的力学机制,在此基础上探讨改变浆液劈裂方向为水平劈裂的必要性和诱导方法,并从应力集中的角度分析诱导劈裂注浆的力学机制;其次,采用有限元法研究注浆孔孔周劈裂方向控制点的应力随侧向压力系数和诱导孔与注浆孔间距变化而变化的情况,得出实现诱导劈裂注浆时两孔间距及侧向压力系数应满足的条件,并拟合两孔间距临界值的计算公式。结果表明：在离注浆孔上、下方4倍注浆孔径以内对称布设诱导孔,改变了注浆孔孔周劈裂方向控制点的应力场。当两孔间距小于实现诱导的临界距离值时,注浆孔孔周控制点的应力大小发生转换,浆液的劈裂方向发生改变,将沿水平方向劈裂。诱导孔与注浆孔间距的临界值会随着侧向压力系数的增大而逐渐增大。     

土体注浆堵水的可靠性设计

建立了一套完整的土体注浆堵水可靠性设计系统。绘制了注浆堵水故障树及成功树;建立了各基本事件的极限状态方程;提出了关于单孔及多孔注浆系统的各种逻辑关系计算模型及其可靠度计算方法;定义了注浆系统的工作状态及不同注浆工程的安全等级;给出了各种注浆工程的可靠性指标;给出了注浆工程的可靠性设计方法及步骤。可用于指导现场注浆工程的设计和施工,具有较大的理论意义和广阔的应用前景。     

岩土体注浆技术初探及展望

从我国注浆技术的发展入手,详细地分析和评述了岩土体注浆技术的关键问题：注浆材料及浆液、注浆参数确定、注浆方法、注浆工艺、注浆监控与检测等的研究方法和现状,结合具体的工程实例,对涉及的技术难题进行了归纳和总结;同时,针对目前岩土体注浆技术存在的一些不足之处,提出了研究思路和展望。     

基于模型试验的劈裂注浆机制分析

依托钟家山隧道帷幕注浆工程,设计了一套大比例劈裂注浆模型试验装置,模拟断层破碎带劈裂注浆过程,通过布设监测元件记录,分析注浆过程关键参数的变化规律,通过开挖充填介质直观揭露浆脉分布特征。试验发现,注浆过程中土体劈裂压力呈现类似脉冲状变化规律,试验条件下土体启劈压力 0.12 MPa,与现有理论解进行了对比分析。基于浆液扩散形式转换、主次生劈裂通道饱和、新劈裂通道形成和后续次劈裂区域饱和4个阶段,分析了土体劈裂压力变化机制,提出了主、次生劈裂压力值界定方法,并对试验条件下7次主劈裂压力值、53次次生劈裂压力值进行了分析,发现主劈裂压力值呈递增规律。结合P-t曲线从能量角度将劈裂过程划分为土体劈裂能量积聚、劈裂和浆液能量转移3个阶段,通过开挖充填介质揭露浆脉的空间分区域分布规律和主、次生浆脉共存规律并分析其成因,在钟家山隧道帷幕注浆工程进行现场应用试验,进一步验证了试验结论的正确性。试验结论对于注浆理论的认知和注浆工程的应用有一定的指导作用。     

富水断裂带优势劈裂注浆机制及注浆控制方法研究

注浆是处治隧道塌方、突水突泥等地质灾害的有效手段,但对于岩体结构多样、结构面发育的富水断裂带,注浆理论及控制技术尚不成熟。基于富水断裂带内部岩体结构,建立了注浆概念模型,提出了优势劈裂注浆概念。基于广义宾汉流体本构方程,建立单一平板优势劈裂注浆扩散模型,推导了考虑浆液流变特征的优势劈裂注浆扩散控制方程。由方程可知,注浆速率、注浆压力及浆液黏度是影响注浆扩散的3个主控因素。深入分析了优势劈裂注浆过程中3个主控因素对注浆扩散的影响规律,基于此提出优势劈裂注浆控制方法,形成了注浆压力差异控制、控制液动态调节及注浆速率梯度控制3项关键技术,促使浆液在优势结构面内控制性扩散。研究成果成功应用于江西省某隧道断裂带塌方处治工程中,取得良好治理效果,对隧道断裂带地质灾害控制理论研究和工程实践具有一定指导意义。     

劈裂注浆抬升既有管道效果分析及工程应用

地铁车站施工中常穿越大量的市政管道,由于隧道开挖引起地层损失和地表沉降,地下管道将会发生变形,往往影响地铁施工,注浆是对地下管道进行沉降控制的主要技术措施。以北京地铁黄庄站下穿热力管道抬升注浆工程为研究对象,利用三维有限差分数值方法分析了新建车站开挖引起超大管道的变形特征。结果表明,在抬升区注浆单元施加膨胀压力可以较好模拟注浆抬升既有管道的效果;采用应变软化模型,可以有效模拟土体材料的弹塑性力学行为,反映注浆完成后浆脉的固结和周围土体的湿陷作用。对比注浆抬升模拟计算和沉降监测结果,验证了有限差分数值方法模拟劈裂注浆抬升管道过程的正确性和有效性。同时模拟分析注浆抬升管道的影响因素,获得了一些规律性的认识,为劈裂注浆抬升地下管道工程的施工和设计提供指导。     

既有建筑地基基础加固劈裂注浆法在青纸汽运办公楼的应用

青纸汽运办公由于部分基础座落在松散的杂填土层上，产生不均匀沉降破坏，通过劈裂注浆加固，建筑物停止沉降，地基土承载力标准值提高了4倍，效果显著。加固劈裂注浆法是治理既有建筑地基基础沉降灾害的有效方法之一。     

非饱和土的新非线性模型及其应用

为描述非饱和土的应力-应变特性,基于非饱和土三轴剪切试验,提出泊松比变化率（即切线泊松比随轴向应变的变化速率）的概念,发现非饱和土的切线模量和泊松比变化率均随轴向应变的增加呈指数衰减规律,基于此提出了一种描述非饱和土应力-应变关系的新非线性模型。该模型不仅能描述应变硬化,而且能描述应变软化;能对非饱和土三轴不固结不排水剪、固结排水剪、固结不排水剪试验的应力-应变关系进行描述;模型共包含6个参数,物理意义明确,确定方法简便。利用提出的模型对国内外文献中的三轴试验进行了模拟,结果表明,模拟结果与试验数据有很好的吻合度,从而验证了模型对试验数据的合理性和适用性。     

弹性模量和泊松比对边坡稳定安全系数的影响

根据土的弹性模量和泊松比满足双曲线关系，给出了弹性模量和泊松比折减的基本原理。通过算例分析表明，调整泊松比对安全系数的求解是有影响的，而弹性模量的影响一般较小。算例亦表明，位移控制方法具有较高的稳定性和收敛性，在运用有限元强度折减方法求解边坡的安全系数时，建议采用位移控制方法来控制其收敛性。     

黏性土非线性弹性K-G模型的一种改进方法

为解决《土工试验规程》建议的K-G模型未考虑土体剪缩性问题并保持其简单性,在其基础上增加了一个剪缩模量,建议了一个3模量7参数K-G-D模型,给出了用 和 与 和 表示的完整的增量应力应变关系式;通过正常固结黏土的各向等压固结试验和等平均正应力的三轴压缩排水试验标定了模型参数;进行了黏土的常规三轴压缩排水试验,利用模型参数预测了相应路径下土样的体积与轴向变形,经与实测值对比,预测结果较好。该模型可考虑土体压硬性、剪缩性、应变强化特性,能较完善地描述欠固结和正常固结土及松砂和中密砂在等 和增 路径下的变形特性;模型并未在规程模型的基础上增加试验工作,且概念清晰、形式简单、便于实际应用。     

岩石直接拉伸与压缩变形的试验研究

采用自行研制的可对同一岩石试样进行单轴压缩和直接拉伸的试验装置,对3种岩石进行了压缩和直接拉伸试验。结果表明,这3种岩石的压缩弹性模量均大于拉伸弹性模量,压缩与拉伸弹性模量之比分别为1.1,1.4,2.5。压缩泊松比也大于拉伸泊松比。研究表明：直接拉伸下切线泊松比随荷载的增加而减小,与压缩下泊松比的变化相反。     

基于离散元数值方法的砂土小应变弹性特性探讨

土体在非常小应变（小于10?6）时表现为线弹性。以往大量试验研究表明,土体的弹性特性主要受到土体有效围压、孔隙比、颗粒级配和试样制备方法等影响。通过离散元方法模拟Duffy和Mindlin中的物理试验,建立球形颗粒规则排列的三维模型,继而进行小变形条件下的数值加载试验来确定弹性特性,并从细观层面揭示决定土体弹性特性的内在因素。模拟结果表明：粒状土的弹性模量取决于土体的颗粒接触配位数、法向接触力的大小和分布,跟宏观土体孔隙比、有效围压作用相对应。弹性模量应力指数n高于Hertz-Mindlin接触法则对应的1/3,主要是由于应力增加过程中配位数的增加和接触力趋于更均匀导致。同时,泊松比也随着配位数的增加而减小,并非保持不变,跟试验结果趋势一致。     

引入非线性瞬时弹性模量的软土流变模型

软土是一种非线性流变物质,但现行流变模型却忽略了加载瞬时的非线性变形;软土流变试验参数是数学模型参数而非物理模型参数,一个土样一般只对应一种材料参数,但现行流变模型的模型参数常随着荷载变化,且变化无规律,离散性大。基于以有机质为流变相物质的人工土试样室内一维压缩蠕变试验,建立了各级荷载作用下具有相同模型参数的7组件流变模型,用非线性弹簧H描述软土加载瞬时弹塑性变形、并联的三元件组件模拟软土随时间变化的黏弹塑变形。结果表明：引入三次非线性瞬时弹性模量的7组件流变模型能够较准确地反映软土的流变特性。     

卵石土等效弹性模量理论预测模型初探

卵石土是由卵石和土组成的、处于土和岩体之间的天然地质体,但其宏观力学特性完全不同于土和岩体。通过对成都地铁1号线隧道掘进机（TBM）施工现场调查可知,卵石地层可导致TBM刀具过量磨损、刀盘堵塞等非正常损坏,极大地影响了TBM施工效率,是TBM掘进极其不利的一种典型混合工作面。主要研究卵石土变形性能,建立在均匀应变基础上,假设卵石为理想圆形或椭圆形,从理论上得到卵石土等效弹性模量的解析预测公式。并通过数值试验验证了理论预测模型的有效性。结果表明,此模型预测结果与试验数据比较接近,可用来初步判断卵石地层等效弹性模量,有助于理解并提高该地层中的TBM掘进效率。