高地应力条件下爆破开挖诱发围岩损伤的特性研究

高地应力条件下隧道或硐室钻爆开挖需考虑初始地应力动态卸荷效应,同时其最终损伤形态会受多个因素影响。采用三维有限差分软件FLAC3D讨论了爆破荷载与地应力动态卸荷复合作用下隧道围岩损伤分布,并重点研究了侧压力系数、岩体力学性质、卸荷速率对围岩损伤范围的影响,最后通过赣龙铁路梅花山隧道开挖损伤区检测结果进行了验证。研究表明,考虑动态卸荷效应的围岩损伤范围明显大于只考虑爆破荷载作用下的围岩损伤范围,在中高地应力条件下,初始地应力动态卸荷对围岩的损伤破坏作用不可忽视;随着侧压力系数逐渐增大,损伤区形态呈现明显的方向性,当侧压力系数为1时,损伤区沿开挖轮廓面分布较为均匀,侧压力系数不为1时,损伤区主要向小主应力方向集中;岩石力学性质越好,损伤范围越小;卸荷速率越快,围岩损伤范围越大,但影响并不十分显著。结果可为高地应力下隧道开挖稳定性分析和支护设计提供一定参考。     

基坑土体卸荷平面应变试验离散元数值分析

对基坑开挖影响范围内土体的应力路径进行平面应变试验离散元数值模拟,以研究结构性与卸荷形式对坑周土体宏微观力学特性的影响。首先,将一个描述土颗粒间胶结效应的简单三维胶结接触模型植入三维离散元软件PFC3D;其次,对初始K0固结状态的重塑土、结构性土试样分别进行常规三轴以及平面应变条件下4种不同卸荷应力路径的离散元模拟;最后,对经历不同卸荷形式的坑底土体单元进行再加荷模拟。模拟结果表明,在卸荷过程中,被动区土体峰值强度以及破坏时竖向应变随卸荷比增大而增大,且其强度小于主动区土体强度;在卸荷、再加荷过程中,被动区土体峰值强度随卸荷比增大而增大,但均小于不卸荷而直接加荷条件下的峰值强度;由于结构性的存在,土体由应变硬化向应变软化过渡,且强度增长;结构性与卸荷形式显著影响土体体积改变。在微观尺度,增大卸荷比或结构性均会增大垂直大主应力方向的平面上的法向接触力,进而提高其强度。     

土的可恢复剪胀的一种解释

从土的各向异怀角度对土的可恢复剪胀现象进行了解释。基于各向异性情况下的土体弹性本构关系理论分析，认为土的可恢复剪胀现象可部分归因于土的各向异性引起的弹性剪胀。借助有关土体弹性参数实验结果，研究了应力诱导各迥异性对土体弹性剪胀的影响，结果表明：随土体应力诱导各向异性的增大，土体的弹性剪胀也增大。从土体弹性剪胀角度研究了土的卸荷体缩条件，认为土体卸荷体缩取决于加载应力路径的应力增量比，给出了土体出现卸荷体缩的区域。     

砂土拱效应的挡板下落试验及机理研究

土拱效应对考虑拱效应时土压力的计算非常重要,而目前对土拱效应的形成机理认识还不深刻。通过自行设计的室内挡板下落试验对砂土拱效应的问题进行了试验研究。得到了不同的土体埋深情况下,随挡板下移挡板上土体重量、箱内土体的应力和侧压力系数的变化规律。试验结果表明,挡板微小的位移挡板上土体的重量就会快速降低;随着挡板继续下移挡板上土体重量降低的趋势逐渐减缓,认为挡板下移2.5 mm时上部土体达到临界状态;随挡板下移箱底挡板上部中心线上的竖向土压力减小,挡板两侧上部土体的竖向土压力增大;挡板上部中心线上的侧压力系数明显增大。通过土体内的应力变化规律对砂土拱效应的形成机理进行了分析。     

应力状态对粗颗粒土静止侧压力系数影响试验研究

土体静止侧压力系数K0随应力状态的变化规律对深入把握其力学性质非常重要。然而,由于适用于粗粒土K0试验仪器及方法较少,对粗粒土K0随应力状态变化规律的研究几乎是空白的。为研究加载和卸载过程中粗颗粒土静止侧压力系数K0随应力状态的变化规律,利用新近研制的大型K0试验仪对某砂卵砾石料和堆石料进行了不同应力状态下的K0试验。K0试验结果表明：颗粒形态、应力状态、级配都对粗粒土K0有一定影响,其中应力状态影响最为明显;加、卸载时粗粒土K0随竖向应力增大呈减小的趋势。通过对K0试验结果进行深入分析,提出了粗颗粒土在加载过程中K0与竖向应力的关系式,并进行了验证。在此式基础上,基于前人总结所得K0与OCR的关系式,总结了一个反映任意固结状态下粗颗粒土K0随应力状态变化的关系式。     

深埋隧洞开挖卸荷引起的围岩开裂特征及影响因素

通过理论分析和数值计算研究深埋地下隧洞开挖卸荷引起的围岩开裂,并分别对准静态和瞬态开挖缷荷引起的围岩开裂机制与开裂特征进行分析。采用双向受压条件下的压剪裂纹扩展模型和应力强度因子计算公式,分析了开挖面上岩体应力瞬态释放和围岩应力瞬态调整对围岩开裂过程的影响,并分别对准静态和瞬态卸荷引起的围岩开裂机制及影响因素进行探讨。研究结果表明,围岩开挖缷荷是深埋隧洞围岩发生开裂的重要原因之一,高地应力条件下围岩以剪切型断裂破坏为主;瞬态卸荷存在动态拉应力效应,开挖卸荷时间越短,引起的拉应力区及围岩开裂范围越大;围岩开裂深度及范围随着侧压力系数增加而增大,且开裂区近似成V型。深埋隧洞围岩开裂特征及影响因素研究,对进一步认识围岩开挖破坏的力学机制具有重要的意义。     

高地应力区砂岩在卸荷条件下的变形参数劣化试验研究

以锦屏某高边坡砂岩所赋存的高地应力环境为基础,开展峰前卸围压力学特性试验,研究了应力-应变全过程曲线、变形特征及参数劣化效应。试验结果表明,相对于加载试验,岩样卸荷破坏表现出明显的脆性特征,相同初始围压下卸荷破坏所需偏应力较加载试验少;卸荷过程横向应变和体积应变急剧增大,卸荷方向表现出明显的扩容特征;当初始围压小于某一值（30 MPa）,岩样破坏所需卸荷量随初始围压增大而增大,当初始围压达到一定值（40 MPa时）,脆性特征更加明显,很少的卸荷量即可引起岩样破坏。以表征岩石卸荷程度的卸荷量H为参变量,分别对高、低围压下卸荷过程中变形参数（变形模量和泊松比）随卸荷量变化关系进行拟合,得到高、低地应力区卸荷过程中变形劣化参数的关系式。试验结果和计算方法对高应力区边坡开挖的稳定性评价具有一定指导意义。     

新型静止侧压力系数试验仪的研制与应用

研制了一种新型静止侧压力系数试验仪,介绍了该仪器结构及工作原理。对干砂进行了试验,测定其静止侧压力系数,与传统的水囊式 固结仪试验结果进行了对比。分析了该试验仪的可能误差来源,主要包括加载过程中的试样侧向变形和试样与压力室筒壁之间的摩擦力,具体分析了试样侧向变形引起 值误差的大小,提出了摩擦力影响修正方法,充分论证了仪器的准确性和有效性。对某粗颗粒土进行了静止侧压力系数试验,测定了该土在加载及卸载条件下 随应力状态的变化,验证了仪器对粗颗粒土的适用性。该仪器结构简单,操作方便,结果准确,适用于包括粗颗粒土在内的各种土的 试验,克服了现有的静止侧压力系数试验仪不适用于粗颗粒土的缺陷,而且适用高应力范围。     

基于固定主应力轴假设的砂堆基底应力凹陷的研究

对砂堆三棱柱的基底应力分布及应力凹陷现象进行了研究,基于固定主应力轴假设（FPA假设）将砂堆分为应力状态已知的I区和应力状态未知的II区,并假设了II区内的多种剪应力分布来求解II区内的应力状态,最后,将不同剪应力分布假设下砂堆中线上的静止土压力系数值与Kulhawy公式计算值对比,可得出如下结论：基底法向应力存在应力凹陷现象,自然休止角越大（砂堆越紧密）,应力凹陷程度、应力凹陷范围越大;不同剪应力分布假设下,II区应力分布形态不同,法向应力极小值所在处也不同。剪应力二次方分布假设和三次方假设下砂堆基底应力分布最为合理、最为符合真实情形。     

卸荷状态下粘性土强度特性试验研究

通过大量的室内抗剪强度试验，提出了卸荷比、临界卸荷比、极限卸荷比和强度残留率概念。用卸荷比来衡量应力水平的变化，以探讨粘性土在卸荷状态下强度变化规律以及估算卸荷影响区的范围和影响区内强度的衰减规律，对基坑等卸荷类工程的设计和施工具有一定的指导意义。     

黏性土填料下考虑土拱效应的非极限主动土压力计算方法

不论挡土墙填料采用砂性土,还是黏性土,其墙背主动土压力与墙体倾角和位移关系存在较大的联系,因而研究黏性土填料下的非极限主动土压力计算理论具有重要意义。通过应力状态分析给出了非极限状态下考虑土拱效应的侧向主动土压力系数,然后采用水平微分层析法给出了倾斜墙下非极限主动土压力解析解。通过与室内模拟试验及已有理论进行对比,验证了该方法的合理性。最后研究了相关参数包括位移比?,墙土摩擦角与内摩擦角之比? /?,墙体倾角?,黏聚力c等对主动土压力分布及其作用点高度的影响。结果表明：土体由静止状态向极限主动土压力状态发展时,土拱效应的影响会越来越大。随着? /?的不断增大,土压力分布曲线非线性强度会不断增强,土压力合力作用点高度呈上升趋势,并且? /?对土压力的影响会随着位移比? 的增大而增大。随着挡土墙墙背倾斜角度? 的不断增大,土拱效应对非极限主动土压力的影响减小。随着土体填料黏聚力的不断增大,上部张拉裂缝高度也会随之增加,且土压力合力作用点越低。给出的考虑土拱效应的非极限主动土压力计算方法对于丰富挡土墙土压力计算理论具有重要意义。     

基于三角形滑移面的地基松动土压力研究

由岩溶塌陷、隧道开挖等方面引起的土体变形往往会对基础建设和基础结构等造成不均匀沉降、地面塌陷及开裂等危害,确定土体结构顶部松动土压力的分布情况并准确地分析土体变形与土拱效应间关系显得尤为重要。为了揭示土体变形和沉降对结构顶部松动土压力的变化规律,进行了一系列不同H/B的活动门试验（H为地基高度,B为活动门宽度）。基于试验结果,提出以三角形作为力学模型分析不同滑移面时松动土压力的数学模型,考虑了滑移面角度与土体变形及主应力偏转三者之间的关系,分析了滑移面内任意水平微分土条的主应力偏转情况并建立受力平衡微分方程,根据不同滑移面形态下的边界条件求解松动土压力理论公式,与已有试验结果对比验证了理论公式的合理性。通过对滑移面角度、侧向土压力系数和内摩擦角等主要参数进行分析,结果表明：在较小相对位移下（1%～3%）土体应力迅速发生转移和重分布,初始滑移面角度略小于π/4+φ/2（φ为内摩擦角）,随着H/B增大土体应力比缓慢增长最终趋于稳定;地基内封闭三角形滑移面的松动土压力与相对位移及内摩擦角相关;内摩擦角的增加使得土拱效应得到充分发挥,加强了应力转移,降低了土拱应力比;内摩擦角的增大减小了水平向...     

黏性土填料下考虑土拱效应的挡土墙被动土压力计算

为解释挡土墙后填土被动土压力的非线性分布现象,在考虑土拱形状为圆弧,滑裂面采用朗肯滑裂面的基础上,给出考虑土拱效应的被动土压力系数Kawn,进而基于应力状态法及土楔形体静力平衡两种思想求解了竖向平均应力 公式,在该基础上,给出黏性土填料下的挡土墙被动土压力分布公式、合力公式及作用点高度计算公式。通过与试验与其他方法对比,文中提出的方法得到验证。最后,研究了黏性土填料下的挡土墙被动土压力变化规律,即考虑土拱效应求得的黏性土填料的被动土压力分布呈现上小下大的指数型分布。此外,随着δ/φ（δ为墙土摩擦角,φ为内摩擦角）的增大,土拱效应逐渐增强,土压力合力点逐渐降低。     

考虑土拱效应的倾斜滑移面间竖向应力研究

假定两滑移面相互平行,且与水平面呈一定角度?,对滑移面间土体沿竖向取水平薄层作为微分单元体,通过作用在单元体上的水平力和竖向力的平衡条件,基于土体主应力轴旋转理论,得到考虑土拱效应及倾斜角度的倾斜滑移面间竖向应力的理论公式,及对应不同倾斜角度及滑移面-土摩擦角的土侧压力系数。将得到的理论公式与Handy等公式进行比较,验证了该公式的合理性。研究结果表明：对于无黏性土,竖向应力沿深度先近似线性增大,后增加缓慢并逐渐趋于定值。竖向应力随着倾斜角度和滑移面间距的增大而增大,随滑移面-土摩擦角的增大而减小;土侧压力系数随着滑移面-土摩擦角的增大而增大,而随内摩擦角的增大而减小。     

平动模式下挡土墙非极限主动土压力

针对平动模式下墙背倾斜的挡土墙,假定墙后所形成的土拱为圆弧形,建立位移同内摩擦角、外摩擦角的非线性函数,并考虑土层间剪应力作用,通过水平层分析法,得出了挡土墙平动模式下非极限主动土压力分布、合力、作用点高度的解答,其解析解与试验值较其他方法吻合得更好,验证了该方法的合理性。结果表明：是否考虑土层间剪应力,土压力的大小均随墙体位移的增大而减小,不会影响土压力合力大小,仅影响土压力的分布,且考虑剪应力作用的土压力在墙体上部较不考虑剪应力要小,下部反之。剪应力对土体起阻碍作用,随内摩擦角的增大,剪应力出现先显著增大后略微减小的状态;随外摩擦角、位移的增大,剪应力增大;随着墙背倾角的增大,剪应力先减小,再反向增大,土压力随之增大。同时考虑土拱效应与剪应力所得出的合力作用点高度介于仅考虑土拱效应与库仑解之间。     

桩承式路堤土拱形成及荷载传递机制离散元分析

土拱效应是桩承式路堤中影响荷载传递的关键因素。基于前人的室内模型试验,建立了桩承式路堤离散元（DEM）数值分析模型。基于路堤中应力偏转规律对土拱随桩土相对位移的形成规律进行了分析。在该基础上提出了合理拱轴线土拱模型,并引入荷载传递系数? 对土拱与土拱下方路堤填料间的荷载传递进行量化分析。模拟结果表明,桩土相对位移引起路堤中应力主方向发生偏转并形成虚拟土拱;土拱形态及高度随桩土相对位移的变化而变化,最大拱高约0.8倍桩净间距;? 随土拱高度的增加呈对数关系减小。     

考虑土拱效应的管棚合理间距计算方法

管棚作为隧道安全穿越不良地质地段的超前支护结构,依靠土拱效应发挥其支护作用,管棚间距与成拱效应密切相关。通过引入合理拱轴线,并考虑侧向土压力的影响,结合管棚间土拱破坏条件给出了管棚合理间距的计算方法,通过凤咀江隧道工程实例和离散元对比分析,验证了计算方法的合理性。进一步分析了管棚间距随管棚所处位置的变化规律以及管棚直径、土体参数等对管棚间距的影响规律。结果表明：当侧向土压力系数较小时,拱腰至边墙处管棚间距可适当调大;当侧向土压力系数较大时,拱顶至拱腰处管棚间距应适当减小。管棚间距随管棚直径和土体黏聚力的增加而线性增加,且与土体内摩擦角数呈正相关关系,随内摩擦角增大,对管棚间距的影响也越来越大。     

桩承式路堤承载特性的颗粒流模拟

现有的土拱效应计算方法中,由于采用的计算模型不同,计算结果差异很大。文中克服传统连续介质力学模型的宏观连续性假设,采用二维颗粒流程序（PFC）建立基于模型试验的细观数值分析模型,对桩承式路堤中土体接触力、应力分布、主应力方向、竖向位移进行分析,并比较计算和实测结果,研究土拱效应的荷载传递机制。同时,对不同桩帽、桩间距、填土高度、颗粒大小、摩擦角的情况进行PFC方法的参数敏感性分析。研究结果表明,桩承式路堤桩顶处局部范围可按弹性核考虑;土拱的分布型式受桩帽型式、桩净距、格栅的影响;实际土拱作用的影响范围主要集中在路堤底面以上约1倍桩净距的区域;土拱内部的竖向应力和水平应力均随深度非线性改变,桩土应力比随着荷载水平、土体内摩擦角、颗粒大小的增大而增加。     

Thermal analysis of energy piles in sand

The present work investigates the behaviour of geothermal energy piles in sand subjected to thermal loading and the resulting soil-structure interaction, numerically using the finite element software Abaqus and user-defined material subroutines for soil. The stress-strain response of sand has been simulated using CASM constitutive model based on critical-state soil mechanics. Detailed parametric sensitivity studies have been carried out to understand the effects of different end conditions of the pile, relative densities of the soil, coefficients of lateral earth pressure of the ground, lengths and diameters of the pile, thermal loads, coefficients of friction at the pile-soil interface, critical-state friction angles of soil, thermal conductivity of soil, specific heat of soil and thermal conductivity of the pile on the stress response of soil, deformation of the pile and soil, and strains in the pile. The results show that negative shear stress is generated in the soil at the pile-soil interface. In the pile with both ends restrained the lateral earth pressure coefficient in soil increases due to high radial strain generation. Moreover, the lateral earth pressure coefficient in soil increases with the increase in the thermal load, the coefficient of friction at the pile-soil interface and the critical-state friction angle of the soil.