富水砂卵石地层力学特性研究

富水砂卵石地区的地铁盾构隧道工程建设中须有效掌握地层力学特性指标,以指导盾构施工参数的动态调整。针对传统地勘无法准确提供地层参数的问题,通过对成都地层分布与土质特征进行大数据统计分析,并结合室内剪切与渗透试验研究,探求富水砂卵石力学特性与细粒含量、含水率、水压力等主要参数间的影响关系。试验结果表明,随着含水率的增加,内摩擦角φ先降低后提高,咬合力C先提高后降低;当细粒含量从1%增加至6%,C和φ均出现不同程度的降低。推导出两个强度指标C值和φ角与细粒含量和含水率两个参数的变化关系表达式,以及砂卵石土的细粒含量与其饱和含水率两者的变化关系式,并通过拟合情况与实际数据验证了公式的可行性。得出卵石地层管涌型的渗透破坏类型,其渗透性随着土样细粒含量的增加有所减小。然后从开挖土层的性质分析反映出隧道掘进参数动态调整和渣土改良工艺对施工影响的内在机制。研究结果可为成都地区砂卵石土层抗剪强度进行经验公式参数选取、数值模拟取值,掘进关键技术与施工方案制定提供参考依据。     

兰州富水砂卵石层土压平衡盾构渣土改良研究

兰州地铁1号线穿越(2)~(-10)和(3)~(-11)地层,主要为砂卵石层,大部分处于地下水位以下,渗透性极强。采用土压平衡(EPB)盾构施工时,除了容易出现刀盘、螺旋输送机扭矩过高,磨损严重等现象外,还极易造成螺旋输送机喷涌,酿成工程事故,因此,需要对砂卵石层进行改良以保证盾构施工的安全。采用膨润土泥浆和泡沫对砂卵石进行改良试验,得到不同改良方案渣土的塌落度、渗透系数和钢桶侧壁的摩擦系数。在塌落度满足15~20 cm要求的前提下,通过理论计算,得到了既能满足盾构和易性要求,又能使螺旋输送机保持土压平衡、防止喷涌的改良配比方案。工程实践表明,泥浆和泡沫混合掺入比分别为7%和8%的配比方案改良效果最佳,可为土压平衡盾构在兰州市富水砂卵石层施工中渣土改良和螺旋输送机防喷涌提供参考。     

荷载及细粒土含量对饱和砂卵石冻胀融沉影响研究

以北京典型饱和砂卵石地层为研究对象,研究了不同细粒土含量、荷载条件下饱和砂卵石的冻胀融沉特性。试验结果表明：有载条件下的饱和砂卵石试样冻结初期存在明显的冻缩阶段,冻缩量为试样高度的0.053%;冻胀率及融沉系数均与时间具有明显的指数相关性;相同细粒土含量条件下,饱和砂卵石融沉系数（细粒土含量大于10%）及冻胀率随荷载的增加而减小,荷载对细粒土含量小于10%的饱和砂卵石融沉系数影响微乎其微;相同荷载条件下,饱和砂卵石冻胀率及融沉系数随细粒土含量的增加而增大;荷载对冻胀率影响较大,细粒土含量次之,细粒土含量小于0.82%的无载饱和砂卵石是弱冻胀材料;建立了考虑细粒土含量、荷载影响的饱和砂卵石冻胀率及融沉系数预测模型。     

粉砂地层中浓泥土压盾构泥膜效应引起的孔压变化规律试验研究

为了减小盾构机在粉砂地层中掘进时对地层的扰动及地表沉降的影响,针对粉砂地层渗透性大、内摩擦角高的情况,提出一种新型浓泥土压盾构施工技术,使用自制的土舱渗透试验装置,开展了3组不同泥浆添加量下混合土中泥浆渗透试验,研究混合土及地层中孔压的变化,分析应力的传递规律。基于室内试验结果开展了现场孔压监测试验,研究泥浆的添加对地层中孔压的影响。研究结果表明:泥浆添加量大于25%时,在开挖面表层处中出现泥膜效应;盾构掘进过程中泥浆添加量越大,地层中孔压的变化率越小,当添加量达到8m~3/环时,其孔压变化率仅为25%～45%;浓泥土压盾构泥膜类型只有渗透型泥膜,且渗透成膜前伴随泥浆颗粒损失。该研究结果对浓泥土压盾构在实际工程中的应用以及向砂砾石及砂卵石地层的推广具有重要的意义。     

盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征细宏观分析

以成都砂卵石地层中地铁1号线的土压平衡盾构掘进施工为研究背景,采用室内试验、PFC2D二维颗粒流程序和 Plaxis 3D有限元软件对盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征进行了细宏观数值模拟,揭示了土压盾构穿越砂卵石地层的失稳机制和沉降规律,并结合实际施工参数和实测地表沉降数据进行了对比分析,获得了土压盾构在砂卵石地层中掘进引起的地表横向沉降槽和纵向沉降槽曲线,分析了不同大小的开挖面土仓压力和盾尾注浆压力对地表沉降的影响,给出了砂卵石地层开挖面土仓压力的建议值和盾尾注浆压力参数的合理取值范围。细宏观分析表明,与注浆压力相比较,土仓压力对地表最大沉降曲线的形状影响较小;但必须关注土仓压力的变化,在砂卵石地层中由于土拱效应对开挖面稳定性影响较大,甚至发生突然坍塌破坏。     

砂卵石地层土压盾构掘进掌子面稳定性室内试验与三维离散元仿真研究

采用?800 mm模型土压盾构开展室内掘进试验,以探究砂卵石中土压盾构隧道掌子面失稳诱发地层变形特征。同时,补充开展三维离散元仿真以挖掘室内试验难以获取的掌子面失稳信息,并研究隧道埋深对掌子面稳定性的影响规律。研究结果表明：砂卵石地层中盾构隧道掌子面失稳发展到地表后,沉降曲面呈上大下小逐步收缩的沙漏状,影响范围小于砂土地层。考虑盾构动态掘进过程后,卵石颗粒接触关系变化十分剧烈,掌子面稳定性被削弱,极限支护压力随之增大。掌子面极限支护压力随隧道埋深基本呈线性增加,极限支护压力与初始支护压力之比则随埋深增大而减小。掌子面失稳机制可根据隧道埋深划分为3种模式。与既有研究相比,考虑了盾构动态掘进过程与实际工程更加接近,可为确保砂卵石地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

青岛地铁土压平衡盾构碎石土改良方法研究

盾构在碎石土地层掘进时经常面临着地层渗透性强、刀盘扭矩大、刀具磨损严重等诸多困难。为解决上述施工难题,以青岛地铁4号线典型的碎石土地层为研究对象,首先通过颗粒筛分、LCPC试验和渗透性试验评价了碎石土的基本特性,结合传统的砂土和黏性土改良方案设计了5组碎石土改良配比方案,对不同配比方案进行坍落度试验、渗透性试验和直剪试验,分析了不同改良指标碎石土的流塑性、渗透性及抗剪力学特性,根据实际工程中盾构刀盘扭矩的变化情况验证了泡沫与聚合物组合改良的最佳方案。研究表明：7%浓度泡沫与5%浓度聚合物配比的改良剂能够有效降低碎石土的渗透系数,同时起到降低刀盘扭矩的作用。     

考虑渗流的饱和粉土地层盾构开挖面稳定分析

土压平衡盾构在穿越高水位钱塘江粉土地层时,地下水与密封舱之间的高水压差会产生过大的指向开挖面的渗透力。钱塘江粉土黏聚力低,开挖面自立性差,且土体模量小,过大的渗透力会使土体产生更大的变形,导致开挖面失稳。数值模拟中合理选取土的本构关系与模型参数,对计算结果的可靠性十分重要。为了研究渗流条件下开挖面稳定性问题,基于室内试验,对钱塘江粉土的摩尔-库仑本构模型和摩尔-库仑应变软化本构模型参数进行研究。研究发现,钱塘江粉土的剪应变是轴向应变的1.5倍;根据三轴卸荷试验得到应变软化内摩擦角和剪应变的关系,当剪应变为4.7%时内摩擦角达到峰值为25°,剪应变为7.4%时内摩擦角达到残余值为21°,剪应变在4.7%～7.4%之间时,内摩擦角线性减小。采用有限差分软件建立39组三维分析模型,通过与离心机试验的极限支护压力和地表沉降对比发现,相同水位情况下,摩尔-库仑应变软化本构模型计算的极限支护压力与离心机试验的最小误差为3.1%,最大地表沉降的误差为5.67%。证明了在钱塘江粉土地层中使用摩尔-库仑应变软化本构模型的可行性及模型参数的可靠性。     

基于盾构影响的长江砾石层工程地质研究

拟建长江盾构地铁隧道(江心洲站—中间风井区间)局部穿过长江砾石层,砾石层中卵石、砾石等颗粒级配,最大粒径、大粒径卵石、砾石含量,砾石层密实度以及卵、砾石单轴抗压强度对盾构刀盘选型、盾构掘进均产生影响。基于盾构影响的角度结合工程实践,采用水上钻探方法,详细查明长江大盾构隧道所穿越砾石层的工程地质特性。结果表明,长江大盾构隧道所穿越砾石层的工程地质特征要求盾构掘进遵循排小碎大的原则,合理选择盾构刀盘的开口尺寸、开口率、滚刀刃间距等,并加设耐磨保护装置,注入改良渣土的泡沫试剂等,掘进时合理控制盾构推进的速度、转速和锥入度,为工程实际中过江大盾构选型、盾构掘进施工提供地质依据。     

轮胎碎片-砂混合土抗剪性能优化试验研究

废旧轮胎碎片-砂混合土有诸多优点,作为轻质填料目前已有应用。对轮胎碎片-砂混合土进行系列剪切试验,探讨碎片含量和纵横比、密实度等不同因素对混合土抗剪性能的影响规律。研究结果表明,加入轮胎碎片后,混合土摩尔-库仑包线呈非线性,且随碎片含量增加,抗剪强度、内摩擦角相应增加,非线性特征更明显。通过优化轮胎碎片纵横比、增加碎片含量和密实度,混合土内摩擦角可以增加8%～89%。其他条件相同时,单纯改变轮胎碎片宽度对抗剪性能影响不明显,但纵横比影响很大,对于给定宽度的轮胎碎片,仅有惟一的某个长度值使得混合土内摩擦角达到最大,且最大值可达65°。     

兰州黄河阶地卵砾石层渗透系数测试研究

采用多孔抽水、钻孔注水和单环注水试验测得兰州黄河Ⅰ级阶地卵砾石层渗透系数分别为34.19m/d、32.68m/d和26.50m/d。颗粒分析成果表明,研究区卵砾石层孔隙体系形式为卵砾类骨架形成架空大孔隙,含量较少的中细砂小颗粒难以完全充填架空大孔隙,仅起到减少大孔隙通道的作用,其渗透系数大于中细砂但小于一般意义上不含或仅含极少量中细砂的卵砾石层。对比分析可知,基于特征粒径、不均匀系数的半经验渗透系数预测值具有很大的离散性和变异性,与实测值有较大差异,作为工程建设设计参数时应通过多种方法验证其准确性。依据水文地质测试成果,结合相关资料工程经验值及地区经验,推荐研究区降水方案设计含水层渗透系数取34.19m/d。     

无水砂层大断面矩形管廊顶管施工渣土改良试验

大断面矩形管廊在无水砂层中顶进施工时,由于砂土流塑性差,掌子面易出现“闭塞”、“喷涌”和“结饼”等不良现象,进而影响施工进度。本文以北京市通州区畅和西路(兆善大街-潞阳大街)大断面矩形顶管施工为工程依托,开展了掌子面渣土改良试验研究。以不同配比的钠基膨润土、聚丙烯酰胺(PAM)和水作为砂土改良的添加剂,并通过黏度试验和滤失试验对不同配比的改良剂(膨润土添加聚丙烯酰胺)的性能进行了研究,结合改良后渣土的坍落度试验、直剪试验与压缩试验,评价了掌子面渣土的改良效果。研究表明:膨润土添加聚丙烯酰胺对无水砂层的改良效果显著。通过改良剂性能试验,初步筛选出膨润土: PAM: 水为60:2:1000,70:1.5:1000,70:2:1000和80:1.5:1000等4种性能优良的改良剂配比;通过渣土改良效果试验得出,改良剂最优配比膨润土: PAM: 水为70:2:1000,改良剂最优注入比为15%;通过添加改良剂使得改良后渣土的坍落度降低30 mm,黏聚力增加9.3 kPa,内摩擦角降低6.5°,压缩系数增加0.090 MPa-1,达到了无水砂层土体处于流塑性状态的预期效果,有效降低了大断面矩形管廊侧壁阻力,提高了顶进效率。     

三峡库区滑坡土体渗透特性及参数研究

滑体渗透性及渗透系数取值对于水库滑坡渗流及稳定性分析计算具有非常重要的意义。本文通过三峡库区396个滑坡1188个试坑（样）的测试资料分析得出:（1）三峡库区滑坡体按物源岩性可分为白云岩和灰岩、泥灰岩、砂泥岩互层,按组成结构可分为均质细粒土、土含碎块石、土夹碎块石、碎块石土和裂隙岩体;（2）渗透性以中等和良好为主;且具有一定的区域分布特征,位于奉节、巫溪和忠县的滑坡体渗透性中等,其他区县滑坡体渗透性良好;渗透系数大小与滑坡土体中碎块石含量呈正相关,裂隙岩滑体渗透性则低于碎块石土滑体渗透性;（3）不同组成结构滑体的渗透系数平均值分别为均质细粒土1.28 m·d-1,土含碎块石1.41 m·d-1、土夹碎块石2.56 m·d-1、碎块石土3.84 m·d-1和裂隙岩体3.24 m·d-1。     

不同垂直荷重对风化砂改良膨胀土抗剪强度影响研究

本文以风化砂改良膨胀土的抗剪强度指标为研究对象,通过室内直接剪切试验,研究了在不同垂直荷重作用下,不同掺砂比例及不同含水率对改良膨胀土抗剪强度指标c、值的影响规律及各种不同垂直荷重下的-关系。影响直接剪切试验结果的两个关键因素是试验时的垂直荷重和剪切速率,而现行规范对剪切速率是有明确规定的,但对垂直荷重只有一个推荐性的取值。本文对膨胀土掺入了10%、20%、30%、40%、50%的风化砂,分别配以6%、8%、10%、12%、14%的水,然后在I级垂直荷重(12.5～50kPa)、Ⅱ级垂直荷重(62.5～100kPa)、Ⅲ级垂直荷重(100～400kPa)作用下,进行剪切试验。通过试验研究得知:垂直荷重对改良后膨胀土抗剪强度指标影响较大,随着垂直荷重的减小,掺砂后的膨胀土内摩擦角逐渐增大,黏聚力逐渐减小; 在各级垂直荷重下,在同一含水率状态下,黏聚力均随着掺砂比例的增大而逐渐减小,而内摩擦角均是先增大后减小; 在同一掺砂比例下,黏聚力及内摩擦角均随着含水率的增大而先增大后减小。本试验的研究成果为风化砂改良膨胀土用作公路路基填料提供了试验依据。     

新建城区大面积填土地基基础方案分析

某新建城区拟修建于大面积填土上,针对该新建城区的复杂工程地质条件,对天然地基、复合地基等地基基础方案的经济、技术、工期等综合分析和比较,最终采用CFG桩复合地基方案对该区独立基础和条形基础进行计算并设计布桩。CFG桩复合地基是CFG桩、桩间土、碎石垫层联合构成的复合地基,其桩身质量好,承载力可达350 kPa以上。当最大柱荷载小于或等于4 000 kN或土层中有强透水砂卵石层时,均宜采用独立柱基下CFG桩复合地基。     

MJS工法在砾石层中的应用及成桩差异性

在我国某露天煤矿截水帷幕建造过程中，由于受架空高压线、地埋光缆、地埋排水管等多处障碍物影响，局部区域直接成槽工艺无法施工，因此，选择可以"全方位"施工的MJS工法完成此类区段建造。MJS试桩结果表明，该工法在东西两侧卵砾石层施工区成桩质量差异明显，为查明成桩差异性原因，采用地质勘探、重力触探试验和抽水试验等方法，从砾石层厚度、砾径、含砂量、地层密实度和含水层渗透能力等方面进行分析。结果表明，在砾石层厚度大、含砂量小、地层密实、含水层渗透性强的施工东区无法成桩，而在条件相反的施工西区成桩质量符合要求。研究成果拓宽了MJS工法的应用范围，对类似条件下MJS工法施工参数的选择具有指导意义。      

Investigation of Soil Conditioning Tests with Three-Dimensional Numerical Modeling

Due to the diverse and complex structure of soil and the variety of foam-modifier materials that are used, it is difficult to provide a model to predict the laboratory behavior of modified soils. For example, several studies have shown independently that the amount of the foam-modified soil depends on several factors, such as the internal friction angle and normal stiffness. Of late, modeling by numerical methods has become popular in engineering sciences and the modeling of complex material behavior is possible with the help of numerical methods. In this research, the performance and efficiency of the numerical method in the modeling of laboratory tests such as the slump test and the uniaxial compressive strength test were investigated and it was found that numerical modeling performs very well in predicting the results of these tests for foam-modified sand samples. In order to achieve this goal, the slump test and the uniaxial compressive strength test were performed in the laboratory on several modified sand samples in order to obtain the laboratory results for these samples. Then, numerical simulation of these experiments was carried out using PFC^3D software. The results of numerical modeling were compared with the experimental results, and good agreement was observed. Finally, after calibration of the numerical model using the experimental results, the effect of changes in the internal friction angle and the normal stiffness of the modified sand in the amount of the slump was investigated. According to the results of this sensitivity analysis, it was determined that by increasing both effective parameters the amount of the slump of foam-modified sand decreases and that the parameters are the most important factors in controlling the slump value.     

碎石土三轴测试仿真建模及试样尺寸效应分析

借助离散单元理论与室内三轴试验, 分析碎石土物理实验中试样尺寸(直径和高度)变化对应力应变、体应变、粘聚力和内摩擦角等力学性能的尺寸效应影响。研究结果表明, 所提出的块体随机生成法则能较好地实现试样中不同形状碎石块的模拟。不同直径和高度的碎石土试样, 初始2%应变范围内的应力-应变曲线变化规律基本一致, 后部曲线变化较大。直径和高度越小, 围压越低, 应力软化现象越明显; 直径大于250 mm、高度大于350 mm后无应变软化, 残余应力恒定。峰值应力随试样直径增大以25%的增长率呈线性增长, 随高度的增大呈非线性增长, 高度小于200 mm时增长率为11.9%, 大于200 mm后为28.9%。体应变破坏峰值则表现为先增大后减小的趋势。同时粘聚力随直径的增大线性增长, 内摩擦角则减小, 而试件高度的变化对其影响规律则相反。      

南京长江江心洲超大直径盾构接收井明挖段 超深基坑降水技术研究

南京长江隧道盾构接收井地处江心洲上,开挖地层以粉细砂层和砾砂层为主,降水施工中成功地克服了强透水地层分布厚、受承压水影响大、基坑开挖深度深、民房离基坑边沿距离近、降水技术复杂、地表沉降控制难等一系列技术难题。本文对基坑降水方案设计、施工工艺及地表沉降控制等方面进行了研究和总结。     

砂卵砾石层倒垂孔施工技术

针对砂卵砾石层倒垂孔施工中钻孔偏斜、孔内坍塌掉块、取心以及保护管的安装等困难问题,从钻机安装、钻具结构、设备能力、钻进技术参数等多方面采取相应的技术措施,取得了良好的施工效果。介绍了红叶电站砂卵砾石层倒垂孔的施工技术。