大断面原状黄土抗拉强度试验研究

抗拉强度是描述黄土力学性质的重要指标,是研究黄土拉张破坏特性的基础。采用自主研发的大断面原状黄土拉伸仪,对陕西泾阳L5原状黄土开展了单轴拉伸试验,测定不同含水率下大断面原状黄土的拉伸应力-应变特征,获得其抗拉强度,并与利用常规三轴剪切试验结果间接获得的抗拉强度值进行对比分析。结果表明：黄土在低含水率时,黄土强度较高,拉应力随拉应变的增加线性增加,破坏时呈脆性;黄土在高含水率时,抗拉强度较低,拉应力随拉应变的增加呈非线性增加,表现出一定的塑性;黄土抗拉强度与含水率呈指数递减关系。与常规三轴试验结果相比,拉伸试验获得的结果较小,更接近实际情况,同时两者之间存在一定的线性关系。     

大断面浅埋黄土隧道锚杆作用效果的试验研究

黄土隧道系统锚杆的作用效果问题一直是争论的焦点。结合正在修建的郑州-西安铁路客运专线大断面黄土隧道,采用现场对比试验方法对系统锚杆作用效果进行研究。为了使试验结果有可比性,选取试验条件基本相同的贺家庄隧道洞身段作为试验段,分别设置有系统锚杆段40 m和无系统锚杆段40 m。对比试验的内容包括：拱顶下沉、拱脚下沉、水平收敛、围岩压力、初支钢架应力、锚杆轴力等。试验结果表明,有系统锚杆段比无系统锚杆段的拱顶沉降大40 %左右、水平收敛大25 %左右,两者的土压力和钢架应力相差不大;锚杆轴力较小,且拱部受压。经综合分析认为,拱部锚杆的支护效果不明显,取消拱部锚杆可减少施工工序,加快隧道初期支护断面及早封闭,能更好地控制支护沉降与变形,并节约工程投资。     

超长工作面过大断面空巷三维应力演化及综合治理技术

为解决超长工作面过大断面空巷极易发生片帮和大面积冒顶等难题,以晋城成庄矿某超长工作面为背景,建立大断面空巷的三维模型,将工作面顶板划分为煤柱顶板、空巷顶板和待采区顶板3部分。通过理论分析,推导了煤柱失稳的判据,并利用FLAC3D数值模拟分析了大断面空巷顶板应力演化过程。结果表明:煤柱宽度W≤40 m时,工作面超前支承应力与空巷超前支承应力在煤柱上叠加,煤柱开始发生塑性变形;W≤10 m时,煤柱顶板应力逐渐达到峰值16.6 MPa,煤柱发生破坏并失去承载能力,工作面超前支承应力向待采区转移,空巷顶板应力达到峰值12.7 MPa。根据空巷顶板应力演化规律,确定高水材料充填支柱支护的合理强度及空巷两帮煤壁注浆加固的时机,辅以空巷锚索梁补强,提出了大断面空巷综合治理措施,现场应用效果良好。      

大跨浅埋黄土隧道中系统锚杆受力机制研究

郑州-西安铁路客运专线穿越西北黄土分布的主要地区,而在黄土地区修建跨度超过15.1 m、开挖面积达170 m2的超大断面大跨度铁路隧道洞群在国内尚属首次,相关的设计理论与经验均较为欠缺,尤其是系统锚杆在黄土隧道中的作用机制及锚固效果尚不清楚,使得设计遇到关键难题。为研究大断面黄土隧道中系统锚杆的作用,通过理论推导,阐明了锚杆的作用机制,指出了浅埋大跨度黄土隧道中锚杆的受力原因。采用理论锚杆单元模型,计算得到与实测数据一致的结果,说明该理论模型能够解释浅埋黄土的锚杆受力情况。综合研究表明,浅埋黄土隧道中拱部系统锚杆的锚固效果较弱,而边墙部锚杆的锚固效果显著。     

大直径、高置换率振冲碎石桩复合地基桩土应力特征试验分析

结合一次试桩案例,探讨分析了大直径、高置换率振冲碎石桩处理东部沿海地区填海地基的桩土应力分布特征和一般规律,并提出了一些新的理论和见解。     

深部大断面厚顶煤巷道围岩稳定原理及控制

针对深部高地应力、大断面、厚顶煤巷道围岩控制难题,采用理论分析、数值计算等方法研究了其变形破坏机制及其控制技术。研究结果表明,深部大断面厚顶煤巷道顶煤塑性区呈“拱形”或上宽下窄的“倒梯形”形态,直接顶塑性区则呈“矩形”形态,且存在肩角稳定区域。提出了“倒梯形”塑性区形成的层理面剪切破坏作用机制：在深部高应力（尤其是高水平应力）以及顶煤较大下沉产生的附加水平应力作用下,顶煤和直接顶之间的层理面发生剪切破坏,并引起其附近煤体破坏,促进了顶煤“倒梯形”塑性区的形成。基于此,提出了高强高预紧力锚杆和斜拉锚索梁联合支护围岩控制技术,认为斜拉锚索可锚固在肩角稳定区域,并起到限制顶煤与直接顶岩层之间层理面的剪切变形、阻止顶煤塑性区由“拱形”向“倒梯形”发展的作用。研究成果成功应用于工程实践     

基于上限法的深部大断面回采巷道顶板锚索设计方法研究

针对目前深部大断面回采巷道控制难题和相应的高强锚索控制技术,考虑顶板围岩应力与支护荷载影响,利用Hoek-Brown强度准则及塑性力学中的极限分析上限法,得到了大断面巷道顶板的冒落破坏机制,提出了顶板锚索长度及匹配预紧力的设计方法。基于建立的锚索设计参数影响因素敏感性指标对巷道宽度、岩体重度、围岩应力、岩体抗压强度、抗拉强度、锚索布设间距、顶角锚索布设倾角等因素的影响进行了分析。结合现场实际情况,提出了深部大断面回采巷道围岩控制的工程建议。将此设计方法应用到千米深井赵楼煤矿1305孤岛工作面的运输顺槽顶板锚索参数确定中,有效地控制了围岩变形。研究表明:在高应力大断面回采巷道中,顶板锚索需锚固在稳定岩层中,并施加足够的预紧力,才可有效控制顶板围岩冒落或破坏;顶板锚索所需预紧力随岩体抗拉强度、抗压强度及岩体经验参数A的增大而减小,随巷道宽度、岩体重度、围岩应力、锚索布设间距、顶角锚索布设角度以及岩体经验参数B的增大而增大,其敏感性最高的影响因素为围岩应力。因此,在深部高地应力巷道设计中,需特别重视地应力的影响,采用高强、高延伸率锚索,增设锚索定量让压装置,高阻让压有效释放围岩应力,并通过施加高预紧力或注浆加固等方式来提高围岩完整性,获得较好的围岩控制效果。     

高应力下砂土与钢材界面单剪试验研究

疏排水沉降引起的竖直附加力导致了华东地区多个立井井筒破裂,高应力下土与结构界面剪切特性研究是解决这一工程问题的关键。在自行加工、改造的高应力单剪仪试验系统上进行了一系列单剪试验。试验数据分析表明高应力下砂土同钢材界面剪应力-剪切位移关系可用非线性弹性-理想、塑性本构关系描述;高应力下界面的强度准则符合无粘聚力的莫尔-库仑公式表示。     

基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究

进行了高应力条件下卸围压并增大轴压的花岗岩卸荷试验,描述了卸荷过程中岩石渐进破坏的应力-应变曲线和力学参数损伤劣化规律;分析了能较好反映岩石卸荷强度破坏特征的Mogi-Coulomb准则和强度参数变化规律;建立了岩石由压剪破裂逐渐过渡到张剪破坏的渐进演化体系。在此基础上,通过对岩石卸荷破坏起主要作用的横向变形将压剪Mogi-Coulomb准则和拉剪Mogi-Coulomb准则联系起来,建立了描述岩石卸荷渐进破坏的新强度准则。基于上述的卸荷试验成果,结合描述岩石卸荷渐进破坏的应力-应变曲线,在应变空间中推导了考虑岩石力学变形参数损伤劣化效应、横向变形作用、卸荷渐进破裂演化机制的力学本构方程。     

大断面综放沿空巷道煤柱合理宽度与围岩控制

确定合理的区段煤柱宽度及巷道支护型式和参数,对于提高资源回采率和巷道安全性及实现综放开采高产高效意义重大。以王家岭煤矿20103区段运输平巷为工程背景,采用FLAC3D数值分析了不同煤柱宽度下围岩主应力差、变形及破坏演化规律,认为合理煤柱宽度为6～10 m,并结合实际地质和生产条件确定试验巷道煤柱宽度为8 m。采用理论分析和现场钻孔窥视方法综合确定基本顶断裂线位于距采空区约7 m处,认为由于综放沿空巷道围岩性质结构和应力分布沿巷道中心线呈明显非对称性,将引发煤柱侧顶板严重下沉和肩角部位煤岩体错位、嵌入、台阶下沉等非对称破坏特征,靠煤柱侧顶板及肩角部位是巷道变形破坏的关键部位。在此研究基础上,针对性地提出了以高强锚梁网、不对称锚梁、锚索桁架为主体的综合控制技术,详细阐明了具体支护措施的控制机制,并进行现场应用。工程实践表明,8 m煤柱宽度合理,该支护技术能够保证窄煤柱沿空巷道围岩稳定,并已在王家岭煤矿大面积推广应用,对类似工程条件的支护技术具有一定的理论意义和实用价值。     

超浅覆大断面暗挖隧道下穿富水河道施工风险分析及控制研究

以广－珠铁路江门隧道下穿富水河道段为依托,针对其超浅覆、大断面、富水等特点,对超浅覆大断面暗挖隧道下穿富水河道的风险源进行系统分析,阐述风险产生的原因及造成的危害。在对可能采用的预加固手段及开挖方案进行初步比选后,采用三维数值模拟手段进一步量化比选,提出在地表隔水措施基础上,采用水平旋喷与大管棚复合超前支护并结合三台阶法开挖方案。研究表明,该方案能有效止水并加固地层,有效规避塌方风险,保证隧道施工安全的同时,加快施工进度及降低造价,可为类似工程提供参考。     

松软煤层复合顶板条件下大跨度切眼支护技术研究

为了研究松软煤层复合顶板条件下大跨度切眼支护技术难题,采用数值模拟、理论分析、现场监测方法,分析了切眼巷道变形、位移、破坏特征,确定了围岩类别和支护参数,提出了左旋螺纹钢锚杆+金属网+金属梁+锚索的联合支护技术。研究表明：无支护条件下切眼巷道围岩出现\     

深埋煤层应力松弛状态演化试验与动力学分析

应用Lyapunov指数法,对试验得到的深埋煤层应力松弛系统演化对应于各级应变水平的时间序列进行分析,科学重构相空间,得到了每一递进应变水平的相轨迹均不重复地围绕各自对应的历史应力中值而顺次演化。采用分形几何学方法进行时间序列分析,定量揭示出煤样应力松弛系统演化的各层次间自相似性,并部分反映了经典力学与非线性科学间的关系。得到了对应各级应变水平系统演化时间序列的非线性动力学评价指标,并判定深埋煤层应力松弛系统为复杂系统且具有典型混沌特征。深埋煤层应力松弛系统演化的混沌程度及复杂程度呈下降规律,煤体内部力学性质弱化因素与强化因素之间竞争最为激烈的阶段,其混沌程度最高,而宏观破坏后系统伴随最低的混沌程度及复杂程度。     

高速铁路大断面黄土隧道深浅埋分界深度研究

郑州-西安铁路客运专线穿越西部黄土分布的主要地区,该线含大量单洞双线隧道,其开挖面积大于160 m2,跨度大于15 m,属于超大断面隧道。由于黄土的特殊性质以及开挖跨度与断面的增大,隧道围岩压力随埋深的变化尚不清楚,目前对该类型隧道的深、浅埋分界深度界定认识不统一。通过郑西线12座隧道地表裂缝与埋深关系的现场调查,初步确定了大断面黄土隧道的深、浅埋分界范围,指出小于11 m可作为超浅埋,40～60 m为浅埋与深埋分界深度,大于60 m为深埋;基于裂缝调查,按剪切滑移破坏极限状态理论对以上分界范围进行了理论分析与验证;精心设计现场试验,在浅、深埋等地段布置17个量测断面进行围岩-初期支护间接触压力的量测,发现实测围岩压力与界定的深浅埋计算结果吻合良好,表明所给深、浅埋界定范围正确。     

大断面深埋高水压地铁盾构隧道周边土压力作用模式评价

以南京某大直径地铁盾构隧道为背景,对盾构管片衬砌所受荷载及结构内力进行现场测试,分析了深埋高水压粉细砂地层中盾构隧道管片土压力大小及分布特征。采用3种不同竖向荷载组合（即有效上覆土压力+水压力,太沙基松动土压力+水压力,只有水压力）计算管片内力并与实测内力进行比较,评价了作用在盾构隧道管片上的土压力模式。结果表明：（1）作用在盾构隧道衬砌上的水压力大小基本等于静止水压力;（2）盾构隧道隧顶实测土压力约为太沙基松动土压力的80%,实测隧顶土压力更接近于太沙基松动土压力,隧道上方存在土拱;（3）现场实测管片弯矩较3种荷载作用下计算弯矩小,而实测管片轴力约为理论计算轴力的2倍。此外,分析了水平地基抗力系数对隧道管片内力的影响。研究成果可为大直径深埋盾构隧道设计提供参考。     

深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制及控制

针对深部构造应力作用下煤巷“肩角锚杆破断”问题,建立肩角锚杆力学分析模型,分析煤帮沿顶板滑移对锚杆的作用,得到肩角锚杆的受力、变形特征,揭示深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制,即在煤帮沿顶板的滑移剪切力作用下,杆体发生弯曲变形,且构造应力越大,弯曲变形越严重;肩角锚杆在煤岩层交界面处受到的剪力最大,而使得锚杆在交界面处易被剪断。针对深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断问题,提出“控让耦合支护”围岩控制技术,并成功应用于工程实践。     

潘二矿下向卸压开采高应力演化特征试验研究

为研究深部近距离煤层群下向卸压开采高应力演化的特征,根据潘二煤矿深部近距离煤层群8煤和6煤地质与开采技术条件,设计了下向卸压开采的二维相似材料模拟试验模型,对8煤和6煤开采引起的采动应力进行监测。系统分析了8煤下向开采与6煤开采后的采场围岩采动应力、岩层运移及不规则煤柱对采动应力演化的影响,获得了近距离煤层群8煤下向卸压开采的顶底板采动高应力演化特征及6煤回采期间覆岩运移、采动应力裂隙演化和来压特征,得出了下向卸压开采不规则煤柱对采动应力、裂隙分布的影响规律。研究不仅为以采动高应力演化为主导作用的煤岩动力灾害防治提供了理论基础,也为卸压开采采场参数设计与优化提供了技术支撑。     

有效应力对煤吸附特性影响的试验研究

为了研究煤岩吸附特性受有效应力影响的机制,结合压汞试验所测定的孔隙率和孔径分布情况,利用自制的原煤等温吸附装置,分别在不同有效应力条件下对山西潞安煤样进行了CH4等温吸附试验。结果表明：①恒温条件下,随着有效应力的增加,煤对CH4吸附量呈下降趋势,气体压力越高时这种变化趋势越明显;②Langmuir方程吸附常数a与有效应力呈负相关关系、吸附常数b则呈正相关关系,分析认为这与原煤内部部分微孔隙封闭和化学势差变化有关;③根据试验数据拟合得出考虑有效应力影响的Langmuir方程形式,所得结果对于煤层气资源评价和开采具有较大的参考价值。