多年冻土区路基路面变形及应力的数值分析

针对青藏公路路基下发育多年冻土融化盘的实际情况,选择两种模型,应用ABAQUS有限元分析软件,对冻土路基从修筑到开放交通过程中的路基路面位移及应力进行了分析.结果表明:冻土路基以融沉为主的变形,一般情况下以路中心下最大,变形呈凹形;当路基下融化盘偏移时,最大变形位置随之偏移;路面层底拉应力最大,对融沉变形反映敏感;路面顶部压应力最大值出现在轴载作用位置,面层应力对轴载反映敏感.计算模型断面尺寸、路基填料、路面结构等对青藏公路具有代表性,在3.6 m路基总高度条件下,无论路基下融化盘偏移与否,融化盘厚达0.5 m时路基顶部(路面层底)拉应力即达基层抗拉强度,显示路基融沉变形可能导致路基失稳及路面破坏,此时路基高度即达最大值.     

双圆环直接拉伸试验试样最优尺寸范围研究

直接拉伸试验是测量岩石抗拉强度最直接有效且最有理论和实际价值的方法,但在传统直接拉伸试验中试样加工难度大,测试设备要求高。为克服传统直接拉伸试验加载困难的缺点,准确测定岩石的抗拉强度,设计研发了多直径岩芯双圆环直接拉伸试验机,从试验和数值模拟两方面重点研究了双圆环直接拉伸试验中试样尺寸的影响和最优取值范围,包括外环直径与试样直径比r1/R、内环直径与试样直径比r2/R、内环直径与外环直径比r2/r1三个比值的最优范围。研究结果发现,外环直径和内环直径满足r1/R=0.62±0.08、r2/R=0.45±0.12、r2/r1=0.64±0.06时内外环根部与内外环重叠部位最大应力值相近,获得的抗拉强度与理论值较一致,与其他试验相比,双圆环直接拉伸试验的结果标准差和振荡系数最小。     

硬填料坝应力计算方法探讨与特性分析

通过对一个100 m高典型硬填料坝的应力变形分析,指出坝体填筑过程和硬填料随龄期和应力状态变化的应力-应变特征的模拟对坝体应力变形结果影响显著不容忽略。采用二元本构模型和仿真计算方式,研究了地基弹性模量对坝体应力和强度安全性的影响。地基的变形对坝体应力有显著的影响。地基弹模较低时与较刚性地基的坝体应力情况差异很大。地基弹模较低时,竣工期坝基面中部的拉应力和坝址与坝踵处的压应力都很大,可能并不满足抗拉和抗压强度。与竣工期相比,挡水期坝基面的压应力增加,拉应力减小,抗压强度安全性减小,抗拉强度安全性增加。对于硬填料坝,竣工期和挡水期的抗剪强度安全系数均很高,一般可不进行抗剪强度的计算。     

隧道水平冻结施工期地表融沉的历时预测模型

隧道冻结工程中所形成的人工冻结壁为临时支护结构,隧道衬砌结构施工后,冻结壁要进入解冻期,由于冻结壁解冻过程中的地层融沉现象对隧道周边环境影响较大,因此,应建立合理的方法对地表融沉量进行预测,以便于实际施工中采取相应的融沉控制措施。为此,考虑冻结壁的自然解冻过程,基于随机介质理论,建立了隧道水平冻结施工期地表融沉的历时预测模型。并提出冻结壁自然解冻条件下瞬态温度场由平板解冻理论近似求解,基于平板解冻理论和一维情况下已融土层的稳定融沉量计算公式,确定了预测模型中解冻锋面半径和融缩区域内半径这2个关键参数的取值方法。将所建立的预测模型应用于隧道全断面水平冻结工程中,得到了地表融沉随解冻时间的变化规律。研究结果表明,地表融沉在解冻初期增长速度较快,而在解冻后期增长速度减缓,地表历时融沉量与崔托维奇通过试验得出的天然冻土历时融沉量变化规律相一致。     

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。     

大兴安岭北部宽谷地貌对沼泽湿地形成的控制

基于冻土与湿地共生机制,运用大比例尺测图、钻探构建剖面、调查等手段,研究了大兴安岭北部宽谷地貌对沼泽发育的控制.发现宽谷属于箱型地貌结构,具有独特生态环境功能：地表水、冻土融水等构成多元供水系统,高纬-高海拔与冻土冷储构成冷控系统,共同构建寒湿环境,有利于沼泽发育,形成灌、草、藓、林4大类组成的沼泽复合体.宽谷腹部兴安...     

圆形巷道围岩层裂或板裂化的等效连续介质模型及侧压系数的影响

为了避免均质和非均质模型不能较好地模拟围岩的层裂或板裂化现象,将岩石视为等效连续介质,即颗粒体材料。颗粒被视为弹性材料,而颗粒之间的界面破坏后被视为摩尔-库仑材料。颗粒和界面均被离散为正方形单元。采用FLAC研究了不同侧压系数时圆形巷道围岩中的剪切应变增量、最小、最大主应力等的分布规律。研究发现,颗粒体材料模型在压应力作用下诱发出的拉应力值接近于在模型边界上所施加的最大压应力,而最大压应力是所施加的最大压应力的数倍。这些结果意味着均质和非均质模型的计算结果是偏于不安全的。另外,最小主应力和剪切应变增量的等值线图均显示,这些量的高值区的距离大致相等,这与V形岩爆坑内的板裂化现象类似。围岩层裂现象的原因是环向的高压应力和径向的高拉应力的共同作用的结果。     

Deformation of a rock in different tensile tests

Strength and deformation of a typical homogeneous sandstone under tensile stresses, have been studied in the laboratory, using standard tensile tests, viz. uniaxial tension, the Brazilian and beam bending tests. In addition to the parameters such as uniaxial tensile strength, modulus of deformation in tension and Poisson's ratio in tension obtained directly by the uniaxial tension test, the Brazilian tensile strength, the modulus and Poisson's ratio have also been determined by the Brazilian test. Bending tensile strength has been obtained by the beam bending test using the four-point loading system and the tensile modulus of elasticity has been estimated from the observations of beam bending and uniaxial compression tests, using “double elasticity” relationships.The rock under high tensile stresses is found to be much less “stiffer” than under high compressive stresses and is therefore likely to result in a relatively less violent tensile failure. The nature of the tensile deformation in the region of maximum tensile stress is found to be strikingly similar in all the three tensile tests under study. Although the initial, the 50% and the final tensile modulus values differ in each tensile test, the general trend of the tensile modulus with increasing stress is found similar in all these tensile tests.     

Thermal stresses in borehole heat exchangers

The backfilling materials of borehole heat exchangers (BHE), particularly the grout material, must provide a suitable thermal contact and ensure durability to the induced thermal stresses because of the heat loading. In this paper, the thermal stresses that occurred in BHEs because of heat injection or extraction is investigated with an analytical solution of a hollow cylinder model that is adapted for time‐dependent heat loading, the geometry of a BHE, and the thermo‐mechanical properties of surrounding ground conditions. Firstly, the hollow cylinder model is solved with the considered boundary conditions in 2D plane stress. Secondly, the temperature differences at the inner and outer circles of the cylinder are evaluated with the heat line source models for continuous and discontinuous loading to observe the impact of the heat loading schedule. The developed analytical solution for thermal stress investigation is validated with numerical models. It is demonstrated that the analytical solutions agree well with numerical results for two types of BHE configurations (co‐axial and single U‐shaped pipes). Furthermore, the calculated maximum stresses are compared with the tensile strength of grout materials obtained from Brazilian tests. It is predicted that the thermal contraction of the grout, partially constrained by the surrounding rock, generates tensile stresses that may lead to cracking in the BHE. According to the results, the stiffness of rock has a primary role on the developed tensile stresses, and the relationship between the thermal conductivity of the ground and of the grout induces a proportional impact on the magnitude of thermal stresses. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

大宁水库防渗墙受墙侧回填施工影响的数值模拟

大宁水库防渗墙部分区段地势落差大,墙体两侧及下墙顶部有较大回填土方量,受工程扰动较大。在既有试验和实测参数的基础上,依据现场实际回填施工过程,对大宁水库防渗墙受墙体两侧回填土施工作用进行了三维数值仿真模拟。模拟过程中考虑了回填土和防渗墙之间的相互作用,分析了距墙体不同位置、不同接触形式的回填土对墙体变形和应力的影响,获得了随施工进程墙体内部位移和应力的分布规律。研究表明,填土过程中上部墙体向水库内侧倾斜,其最大主应力出现在两墙交接位置的上方;下部墙体倾斜量很小,最大主应力出现在导墙下方,不存在拉应力;墙体的位移、应力沿走向方向存在一定的差异,在墙体拐角处变化最大。对比分析表明,数值模拟结果与现场实测值较为接近。     

骊山山前断裂对西安地铁临潼线隧道的影响研究

以西安地铁临潼线穿越骊山山前断裂为研究背景,采用数值模拟方法,通过建立地铁隧道-断裂-地层三维有限元模型,研究了骊山山前断裂错动作用下隧道结构的变形受力特征,以此揭示了骊山山前断裂错动作用对西安地铁临潼线的影响机制以及重点设防位置,确定了地铁临潼线的设防范围,提出了相应防治建议措施。研究结果表明:断裂错动作用造成地铁隧道沿纵向发生弯曲变形,大致可分为3个变形区域:下盘稳定区、剪切拉张区和整体沉降区。断裂附近地层竖向应力和隧道拱底接触压力均表现为上盘减小而下盘增大,而隧道拱顶接触压力在上盘增大下盘减小。同时,沿纵向隧道顶部结构在上盘受压而下盘受拉,底部结构受力刚好相反,在上盘受拉下盘受压;隧道受剪区范围随断裂位错量变化基本保持不变,且最大值均出现在与断裂相交位置处。最后,综合确定了西安地铁临潼线跨越骊山山前断裂的纵向设防长度至少为80 m,并给出了跨断裂西安地铁临潼线的防治措施。研究结果可为西安地铁临潼线跨越骊山山前断裂带设计及其病害防治提供科学参考。     

鄂西渝东区构造裂缝发育特征及力学机制

针对鄂西渝东区隔档式褶皱发育的构造特点,结合区域构造演化史,分别以隔档式褶皱和正弦曲线几何形态的褶皱建立模型,用有限元法模拟了褶皱不同构造部位的应力场分布特征。褶皱外侧为张应力集中区,内侧为压应力集中区,且应力矢量与地层产状平行,二者以中部既无明显挤压、亦无明显拉张的中和面为分界。通过野外露头和岩心观察,总结了鄂西渝东区构造裂缝发育的三种形式:具多层介质的非能干层中发育顺层裂缝;向斜内侧、背斜外侧的能干层中发育高角度剪切缝;背斜外侧、内侧具多层介质的非能干层中发育顺层裂缝与高角度缝共生的网状缝。这种特征与模拟结果呈现较高程度的一致性,可根据应力场模拟成果和裂缝发育地层的能干性进行合理解释。复向斜中的隆起区可作为页岩气勘探的重要目标。     

抽水引起的含水层水平应变──地裂缝活动新机理

基于Darcy -Gersevanov广义渗流关系式 ,本文首先导出了单井定流量抽水引起的泰斯承压含水层水平运动和应变解析表达式 ,并据此提出了抽水诱发地裂缝活动的含水层水平应变新机理 ,其主要观点为 :受井栅的约束阻挡作用 ,抽水活动将在含水层内部形成近井径向挤压区和远井径向拉张区两个应变区域 ,随着抽水时间的增长 ,近井径向挤压区将逐渐向外扩展 ;当地裂缝及其下伏断层或裂隙位于抽水活动引起的径向拉张应变区域时 ,地裂缝将出现加速活动 ;反之 ,当地裂缝处于抽水活动引起的径向挤压应变区域时 ,地裂缝活动反而受到抑制。上述地裂缝活动机理通过大同机车工厂现场抽水实验得到了初步证实。     

双钻头自平衡钻进系统用多通道连续缆管设计

为解决矿山灾害钻孔救援过程中地面钻机对地下钻头“长臂管辖”式驱动导致的钻进效率低、对孔壁扰动大和起下钻辅助时间长等问题,提出了无钻机双钻头仿生自平衡连续缆管钻进技术,而多功能连续缆管设计是该技术的重点和难点之一。为此,根据自平衡钻进系统的需求,从功能、结构、参数三大方面对多通道连续缆管进行设计。为实现连续钻进,多通道缆管需要同时具备泥浆循环、电能与信号传输和电磁屏蔽等功能,此外,还要具有足够强度和良好的弹性。对缆管的铠装缆线外径、内管与外管内外径参数进行设计并计算钻井液环空上返流速,计算结果表明缆管内外管直径参数设计满足最低上返流速要求。采用理论计算与数值模拟相结合的方法对缆管的关键部件进行受力分析,对外管抗拉压弯强度及外管壁抗挤压强度等进行强度校核。结果表明：多通道连续缆管结构设计合理,性能可靠,能够满足无钻机双钻头仿生自平衡钻进系统的技术要求,为矿山灾害无钻机双钻头仿生自平衡钻孔救援工作提供一种安全可靠、快速机动的多通道连续缆管技术和方法。     

Assessment of frozen-ground conditions for engineering geology along the Qinghai–Tibet highway and railway, China

The Qinghai–Tibet Highway and Railway (the Corridor) across the Qinghai–Tibet Plateau traverses 670 km of permafrost and seasonally frozen-ground in the interior of the Plateau, which is sensitive to climatic and anthropogenic environmental changes. The frozen-ground conditions for engineering geology along the Corridor is complicated by the variability in the near-surface lithology, and the mosaic presence of warm permafrost and talik in a periglacial environment. Differential settlement is the major frost-effect problem encountered over permafrost areas. The traditional classification of frozen ground based on the areal distribution of permafrost is too generalized for engineering purposes and a more refined classification is necessary for engineering design and construction. A proposed classification of 51 zones, sub-zones, and sections of frozen ground has been widely adopted for the design and construction of foundations in the portion of the Corridor studied. The mean annual ground temperature (MAGT), near-surface soil types and moisture content, and active faults and topography are most commonly the primary controlling factors in this classification. However, other factors, such as local microreliefs, drainage conditions, and snow and vegetation covers also exert important influences on the features of frozen ground. About 60% of the total length of the Corridor studied possesses reasonably good frozen-ground conditions, which do not need special mitigative measures for frost hazards. However, other sections, such as warm and ice-rich or -saturated permafrost, particularly in the sections in wetlands, ground improvement measures such as elevated land bridges and passive or proactive cooling techniques need to be applied to ensure the long-term stability of thermally unstable, thick permafrost subsoils, and/or refill with non-frost-susceptible soils. Due to the long-history of the construction and management of the Corridor by various government departments, adverse impacts of construction and operation on the permafrost environment have been resulted. It is recommended that an integrated, executable plan for the routing of major construction projects within this transportation corridor be established and long-term monitoring networks installed for evaluating and mitigating the impact from anthropogenic and climatic changes in frozen-ground conditions.     

陡倾断层上下盘开挖引起地表变形的数值模拟分析

考虑地下开挖区与断层相对位置关系,采用简化数值模型对陡倾断层上下盘开挖引起的地表变形特征进行了数值模拟。结果表明,当断层位于地下开挖引起地表变形的压缩区且开挖区位于下盘时,地表出现不连续变形的可能性小;当断层位于地下开挖引起地表变形的压缩区且开挖区位于上盘时,随下向开挖进行地表断层处裂缝有减小趋势;而当断层位于地下开挖引起的地表变形拉张区时,断层出露处水平拉张明显,表现为拉张裂缝,随下向开挖深度增加、规模增大,不论开挖区位于上盘还是下盘,极可能导致地表出现正断层式的错动．     

超大型沉井首次接高受力及变形规律初探

依托马鞍山长江大桥南锚碇沉井的首次接高,对其竖向沉降、隔墙墙底土压力和隔墙底板受力情况进行了监测。结果表明,超大型沉井兼有条形基础的特点和整体工作性能,能够承受较大的竖向变形,与单纯考虑地基承载力相比,更适合于按变形控制接高。沉井接高时普通隔墙下的土压力小于分区隔墙,并且普通隔墙下部土体会先达极限承载力,后续接高产生的荷载转而由分区隔墙（或井壁）来承担。沉井首节混凝土浇筑就已决定了隔墙底板的应力大小和分布情况,后续接高不会再引起大的改变;隔墙底板中间部分受力较小,外围拉应力较大,通过井壁外土体的密实回填可有效降低此部分拉应力。     

地基与海洋建筑物相互作用——以最近西班牙海岸线建筑物内部损坏为例

海洋工程通常是一个细长的线.我们通常看到的仅仅是建筑物狭长的表面,而不分析支撑他们的大量水下材料.毋庸置疑,海底地基将承受来自于海洋的周期性和交替的静力以及变化的动力.外部和内部的海上工程均在复杂的环境中运行.固态颗粒(防波堤)可以吸入入射水流,并且通过颗粒之间的间距吸收海浪的能量.回流试图从固态颗粒中抽离物质,这样一...     

拉压性能不同材料圆环极限压力分析及应用

应用双剪应力强度理论对拉压异性材料制成的圆环进行了弹塑性应力分析, 得到了弹性极限内压力、弹塑性极限内压力与拉压比的关系式, 并举例说明了其在岩土材料抗拉强度测试中的应用。     

工程岩爆灾害判别的RBF-AR耦合模型

岩爆是深部高地应力区地下岩体工程中的主要工程地质灾害之一,其发生及烈度预测是一个复杂的不确定系统问题。为了有效预测和判别深部工程岩爆灾害,在总体考虑岩爆各影响因素的基础上,选取地下工程中岩体完整性指数、岩石单轴抗压强度、岩石单轴抗拉强度、围岩最大切向应力、围岩抗压强度与其抗拉强度的比值、围岩切向应力与围岩抗压强度比值、弹性能量指数、岩爆倾向性指数作为岩爆预测的评判指标,提出了一种基于非线性参数优化的RBF-AR岩爆预测模型。在终南山隧道竖井岩爆判别中,利用RBF-AR法进行计算,计算结果与实际情况完全一致,表明该模型在岩爆预测中的可行性和有效性。