高地应力V级围岩相似材料研制及岩体开挖卸载模型试验分析

以黄土、砂为骨料,石膏、水泥为胶结材料,水为调节剂,以正交试验方法配制出V级围岩相似材料,该材料能够很好的模拟隧道Ⅴ级软弱围岩。在此基础上,以钢筒模型试验为媒介,通过千斤顶配合反力架加载,观察不同材料配比下的试验组应力变化斜率、自稳时间、应变大小等方面的差异,结合加载完成后模型开口处岩体变化情况,探索高地应力下Ⅴ级围岩开挖卸载效应。试验结果表明:虽然相似材料会因配比不同改变物理力学性质,但主要是对弹性模量的影响较大;在增大垂直压力作用下,试验中材料自稳时间变长,应力释放也较为彻底,但整体趋势放缓。     

不同变形失稳模式下隧道围岩稳定性判据研究的进展

计算机模拟隧道围岩失稳研究的困难在于失稳模型不清楚、失稳判据不明确。本文综合分析了目前国内外应用的隧道稳定性判别方法,总结了不同变形失稳机制下的计算模型及其量化的破坏判据,分析了各种方法的研究进展和存在局限,为围岩稳定性数值模拟提供快速、合理、可操作的判据。     

地震作用下深埋隧道围岩形变的数值模拟研究

隧道围岩受地震荷载作用影响产生开裂变形,给交通、安全与经济带来极大影响,为提升隧道安全稳定性能,以某市隧道为对象,研究地震作用下深埋隧道围岩形变的数值模拟。综合考虑地震动作用与地震波扩散特性,利用FLAC软件构建三维动力模型;通过边界设置解决地震波反射问题,基于物理力学参数与地震荷载条件,通过相对变形法研究地震条件下深埋隧道围岩变形特性、能量聚集特性与安全性能。研究结果显示:深埋隧道围岩受地震荷载作用影响,形成挤让、椭圆化的变形走向;变形达到最高值时,应变能量密度高于2350 J/m^3的区域集中在隧道Ⅰ洞左侧围岩边墙和中夹岩柱上;各监测点安全系数呈非对称性,隧道右侧下角区域安全系数低于国家相关标准,计算结果与实际测量结果一致。     

某砂岩隧道在开挖过程中变形的数值模拟研究

以某砂岩隧道为背景,首先应用弹塑性理论对隧道开挖后围岩的变形屈服和拱顶及边墙的应力状态进行了分析,继而采用有限差分软件FLAC3D模拟了隧道开挖过程中围岩的位移及塑性变形情况。计算结果表明：该研究段隧道发生塑性屈服的临界深度为78．2m;当隧道开挖31m后,由于开挖卸荷作用使得原先储存在围岩内的大部分应力得以释放,此后困岩变形基本趋于稳定;该隧道在开挖过程中,边墙变形量最大,达到1．94mm,由于隧道在开挖过程中围岩的自稳作用,当开挖到一定时间后,围岩变形将趋于稳定;该隧道在开挖过程中,拱顶和底部以拉张破坏为主,边墙则产生剪切破坏。     

结构面分布特征对隧道围岩变形影响的数值模拟分析

结构面对隧道围岩变形及稳定性起着决定性作用。运用三维离散元方法（3DEC）研究结构面分布特征,重点是结构面线密度1/λ、强度和倾角对隧道围岩变形的影响,总结了结构面分布与围岩变形特征的关系。结果表明,在结构面强度较低的情况下,结构面线密度对隧道变形的影响较大,其影响可分为两种情况：①λ≤0.2时,围岩的弯曲变形大于沿结构面的剪切变形,属于应力型大变形;②0.2〈λ≤0.4时,沿结构面的剪切变形大于围岩的弯曲变形,属于结构型大变形。结构面倾角主要影响围岩大变形发生的位置。将数值模拟结果与国内工程实例实测变形资料相对比,发现一致性较好。本研究结果对隧道支护结构的设计以及施工设计具有借鉴意义与指导作用。     

地震作用下盾构隧道变形性能试验研究

地震作用下,盾构隧道的抗震变形性能限值是个重要指标。采用盾构区间隧道为原型,设计1/20的相似模型,考虑管片接头以及土体-结构相互作用,采用隧道结构加载试验系统,对盾构管片结构在不同的拼装方式和埋深下的变形行为进行了研究,测得了管片环的内力和位移。通过对6组试验结果进行分析对比,得出结论:埋深和拼装方式对盾构隧道结构变形有影响,对通缝结构的影响大于错缝结构;弹塑性分界点直径变形率限值,对通缝结构为0.56‰~1.00‰,对错缝结构为0.42‰~1.09‰;临界失稳点直径变形率限值,对通缝结构为16.87‰~21.44‰,对错缝结构为15.22‰~19.52‰。     

地铁隧道-地层动力相互作用模型试验参数设计

以西安地铁2号线为研究原型,根据模型试验相似准则,设计了列车荷载作用下地裂缝-地铁隧道-地层动力相互作用试验模型。根据试验需求及场地条件,确定采用模型试验箱进行试验,模型试验箱考虑了地铁隧道与地裂缝的不同交角,可以分别模拟地铁隧道与地裂缝呈90°正交、60°斜交、30°斜交的情况,同时,试验采用激振器模拟了不同频率的车辆振动荷载。根据相似原理,合理确定了几何参数、地铁隧道及围岩材料参数、动力加载方式及动力试验参数,以期通过模型试验来研究地铁隧道-地裂缝-地层在列车振动荷载作用下的动力响应规律,为列车振动控制措施研究提供参考。     

层状围岩隧道交叉结构地震方向敏感性分析

依托某层状围岩深埋铁路隧道工程,以主线单线隧道与横通道正交结构为研究对象,通过ABAQUS建立有限元分析模型.选取12条地震波数据,模拟基岩SV波地震作用,调整地震动峰值加速度和地震动入射方向,对研究结构随地震动输入方向的敏感性进行分析.研究分析得到:二次衬砌在地震入射角度为30°～45°时对地震动方向变化敏感性较低,...     

地裂缝-隧道-围岩动力相互作用模型试验研究

为了研究在地铁列车振动荷载情况下盾构隧道-地裂缝-围岩相互耦合作用下的场地灾害效应,从西安地裂缝地质环境和西安地铁2号线的实际工程背景出发,采用相似理论设计了相似比例尺为1∶5的物理模型试验,对盾构隧道、围岩材料、地裂缝等进行了合理设计。基于偏心块的振动原理,课题组自主研发了列车激振器来模拟地铁列车荷载,激振方式采用移动荷载激振方式,分析在不同列车车速和激振频率下地裂缝两侧土体的加速度变化情况,以此来研究地铁隧道-地裂缝-围岩系统在地铁振动荷载作用下的动力响应规律。结果表明,列车振动向下传播时振动衰减的幅度要小于向上传播衰减的幅度,由此为实际工程中减少地铁振动灾害效应技术的发展提供了理论支撑。     

风险评估在神木一号风积沙隧道中的应用研究

基于层次分析法、专家调查法和模糊评价法,对风积沙隧道塌方风险源因素进行识别,提出了工程地质因素、水文地质因素和施工设计因素三大类风险源。分析了各类风险源下具体风险因素的权重以及评价集,结合神木一号风积沙隧道的具体特点,对其塌方风险进行了评价。研究表明：影响风积沙隧道塌方风险的主要因素是施工设计因素,而施工设计因素中,超前支护类型这一二级风险因素又是风积沙隧道塌方与否的决定性条件。     

油页岩地下开采巷道围岩的流变特性及工程应用

为研究油页岩巷道围岩的流变特性,采用岩土SJ-1B三轴蠕变仪对油页岩进行了三轴蠕变试验。根据试验结果,建立了油页岩非线性蠕变方程。根据上述非线性蠕变方程,以吉林桦甸油页岩矿一井运输大巷为工程背景,分析了围岩的应力场和位移场,并对不同支护强度和应力状态下的蠕变变形进行了系统的分析。研究结果表明,油页岩蠕变具有非线性,控制油页岩巷道围岩过量变形的根本途径是改变围岩的应力状态,以及适当提高锚杆、锚索的初始预应力。本文为有效控制油页岩开采时巷道围岩的有害变形提供了理论依据。     

圆形巷道围岩的环向应力及发生岩爆单元分布的数值模拟

利用FLAC模拟了不同水平方向压力（小于竖直方向压力）及岩石峰后不同脆性条件下的圆形巷道破坏过程。岩石服从莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。监测了模型中第1象限对角线上的单元环向应力分布及演化规律。根据徐林生和王兰生提出的环向应力岩爆判据,判断模型中各单元是否发生岩爆。模拟结果表明：当竖直方向压力一定时,随着水平方向压力的增加,V形坑的顶点和巷道中心的连线与模型水平轴的夹角,由小于45°向接近45°发展;同时,巷道围岩中发生破坏的单元数及发生岩爆的单元数均增加,环向应力的峰值增大。随着岩石峰后脆性的增强,剪切带趋于明显,容易汇合形成V形坑;同时,巷道围岩中发生破坏的单元数及发生岩爆的单元数均增加,环向应力的峰值向围岩内部移动。     

大足石刻北山168窟围岩病害高频瑞雷波成像

大足石刻北山168窟为五百罗汉窟,开凿于1119年至1125年,窟高3.3m,宽3.14m,进深7.1m,是大足石刻中尺寸较大的一个重要洞窟。目前,168窟围岩裂隙风化病害十分严重,面临失稳坍塌的危险。为制定针对性的长久保护措施,需查明168窟围岩病害的现状。通过现场调查、物探、钻探等技术手段,获取了大足石刻北山168窟及邻近区域的工程地质条件。进一步,采用高频瑞雷波探测技术对168窟顶板岩体进行瑞雷波相速度成像,考虑168窟顶板岩体特定的围岩边界条件和场地工程地质条件,对洞窟顶板岩体瑞雷波相速度-深度成像剖面中的低速区分布进行成因分析和解译,揭示石窟顶板岩体风化现状和节理裂隙的发育情况。为分析评价洞窟围岩稳定性和石窟保护工程设计提供基础性地质资料和必要的计算参数,也为相关技术在文物保护工程的应用提供经验和借鉴。     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用＂先加载,后挖洞＂的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。文中模拟分为3步：首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。