地震作用下无衬砌黄土隧道围岩结构安全系数的计算探讨

为了得到无衬砌黄土隧道围岩结构在地震作用下的安全系数,借助有限元软件ANSYS,首先采用水平地震作用下的动力分析模型进行模态分析,得到质量阻尼系数和刚度阻尼系数;其次,输入地震波进行动力时程分析,得到模型顶点的最大水平位移;最后,采用静力分析模型,并考虑自重和左右边界上顶点水平位移最大时的侧向边界节点水平位移,通过不断折减围岩土体的抗剪强度参数,即黏聚力c和内摩擦角?,直到计算不收敛为止,从而得到无衬砌黄土隧道在地震作用下的安全系数。数值算例表明：所采用的方法是可行的,地震作用会使得围岩结构的安全系数降低,从而为以后黄土隧道围岩结构在地震作用下安全系数的计算及其工程应用提供了理论依据。     

某核电取水隧洞洞口段及洞口高边坡抗震稳定分析

针对某核电取水隧洞工程,采用非线性的动力分析方法,用Flac3D建立大型三维有限差分模型,模拟隧洞洞口段在场址时程地震波作用下的地震响应规律,同时通过建立隧洞洞口处回填高边坡的二维有限元模型,进行洞口边坡在地震动作用下的稳定性分析,得出其边坡滑动面位置和动力安全系数时程曲线。通过场址地震波的输入,探讨隧洞洞口及边坡的结构响应特点,得出隧洞洞口衬砌内力随地震波作用的时程变化曲线,绘制隧洞衬砌内力图,同时给出隧洞洞口段高边坡安全系数。分析结果表明,隧洞洞口抗震的薄弱部位位于隧洞拱肩及边墙位置。分析方法及结论对于隧洞的抗震设计具有一定的参考价值。     

上覆流沙层隧道开挖面稳定性分析与数值试验研究

为解决上覆流沙层隧道开挖面极易发生坍塌破坏的技术难题,以典型该地质条件下的青岛地铁M2号线啤苗区间（啤酒城站至苗岭路站）为研究对象,基于开挖面的实际破坏特征建立了开挖面失稳破坏力学模型,从功能转化平衡角度,进行了隧道开挖面稳定性上限分析,并利用强度折减与重力加载两种方式,提出了隧道开挖面安全系数,得到了不同开挖面土体黏聚力、摩擦角、重度、隔水层厚度及隧道开挖高度下的临界土体破裂范围及破裂模式。理论研究表明：随着开挖面土体黏聚力、摩擦角、隔水层厚度等参数的增加,开挖面安全系数不断增大,稳定性不断提高;随着土体重度、隧道开挖高度增加,开挖面安全系数不断减小,稳定性不断降低。通过建立不同工况的数值模型验证了理论研究的正确性,得到了上覆流沙层地质条件下开挖面的典型破坏模式和临界参数,并提出了相应工程建议。研究成果为青岛地铁M2号线的顺利贯通及该类地质条件下的隧道施工提供了理论指导和科学对策。     

黄土高边坡的三维动力稳定性分析——以固原九龙山边坡为例

针对高烈度区九龙山黄土高边坡的动力稳定性问题,调查分析了该边坡的工程地质条件和场地所在区域构造活动与分布特征。在考察动荷载循环、往复作用下黄土反应敏感性及动强度参数,以及沿坡高确定地震惯性力反应地震作用大小的基础上,将强度参数折减与有限差分方法结合,从而形成了边坡的拟静力强度折减有限差分分析方法。通过九龙山土边坡拟静力强度折减三维有限差分法计算分析,得到了强度折减条件下边坡的位移场和应力场,边坡关键点位移与折减系数之间的关系,以及黄土高边坡的动力稳定性安全系数。其分析结果与传统的二维极限平衡分析方法确定的结果基本一致,验证了边坡拟静力强度折减有限差分方法的合理性。     

渗流作用下黄土含水率变化特征及对隧道工程的影响

富水黄土隧道施工开挖后含水率增加对隧道工程施工影响较大,前人建立了多种以黄土含水率为指标的工程措施判别标准,但对于黄土含水率的变化原因及时空变化特征缺乏系统研究。银西高铁驿马一号隧道不同工况下含水率的变化特征表明,自然渗流状态下隧道洞身黄土含水率平均为25.9%,局部为软塑;施工排水阶段受渗涌水影响,黄土含水率平均上升到31.3%,下拱腰上升到32.2%,引起了隧底软化、掌子面滑塌失稳、围岩稳定性变差等问题;采取地表降水后,黄土含水率下降为25.4%,改善了黄土的物理性质,确保了隧道施工安全与进度;水位恢复后,黄土含水率平均上升到29.4%,拱顶与上拱腰变化较小,下拱腰达到了37.2%。研究认为地下水渗流变化将使得隧道洞身黄土含水率变幅达15%～33%,通过控制地下水渗流作用可以达到隧道安全施工的目的。     

地震效应下非线性抗剪强度参数对裂缝边坡稳定性影响的上限解析

基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则,结合极限分析上限法和拟静力分析法,建立功能方程,推导了地震效应下裂缝边坡的安全系数计算方程。采用数学规划方法,计算了不同参数组合条件下的边坡安全系数值,详细分析了非线性条件下一系列参数对边坡稳定性的影响。研究表明,边坡安全系数随非线性参数和地震效应的增大而减小。对比分析可知,在非线性破坏准则下,裂缝深度较大时,裂缝对边坡稳定性影响显著,且边坡越陡影响越大;当裂缝深度超过某个值后,临界破坏面起始端可能不穿过裂缝最底端,而是从裂缝中间某部位穿过。在地震效应作用下,非线性抗剪强度参数对安全系数影响显著。研究成果进一步完善了裂缝边坡稳定性分析内容,所列图表为边坡的设计与施工提供有益参考。     

Q2饱和黄土隧洞围岩变形特征研究

Q₂饱和黄土含水率高,强度低、变形大。饱和黄土隧洞围岩变形破坏一直是工程界关心和亟待解决的问题。利用隧洞围岩收敛变形、二次应力场监控量测与数值分析,获取隧洞围岩动态综合信息,研究在一次支护条件下,隧洞围岩的收敛变形和应力变化特征。结果显示,隧洞围岩收敛变形和应力在最初的10~15天呈线性快速增长趋势。后期,收敛变形随时间呈非线性增加,受一次衬砌的限制,其变形在隧洞开挖30~40天后渐趋于稳定,但应力持续增加,反映Q₂饱和黄土隧洞围岩具有显著的时效特性。为避免隧洞围岩压力过大,造成隧洞围岩及支护破坏,建议在开挖后30~40天施作二次衬砌。     

爆破地震波作用下既有圆形隧道衬砌动应力集中系数分析

将爆破地震波进行合理近似简化,采用波函数展开法,推导出无限岩石介质中爆破地震波作用下隧道围岩和衬砌动应力集中系数的表达式。结合具体算例,分析隧道不同位置上爆破地震波主频、隧道几何参数和隧道围岩和衬砌物理力学指标对动应力集中系数的影响。分析结果表明,爆破地震波主振频率对隧道围岩和衬砌中的动应力集中系数（DSCF）影响较大,隧道不同位置和不同方向应力的动应力集中系数随主振频率的变化趋势不同,低主振频率引起的动应力集中系数较大,不利于隧道的抗爆破振动;隧道几何参数对隧道围岩和衬砌内侧切向应力动应力集中系数影响趋势不同;隧道衬砌弹性模量对隧道结构动应力集中系数影响较大,泊松比次之;泊松比较大的隧道围岩具有一定的抗爆破振动作用,但效果有限。     

暗穴环境下非饱和黄土边坡稳定性分析

黄土暗穴在水土流失方面作为一种独特的侵蚀方式,往往会威胁到建设在非饱和黄土层之上的公路边坡稳定性。基于考虑基质吸力的强度折减有限元程序,本文通过开展不同位置暗穴、单双暗穴和基质吸力赋存与丧失等条件下边坡稳定性的对比研究,着重对影响边坡稳定性的暗穴、基质吸力等因素进行了研究。研究结果表明,当暗穴接近地表时由于存在一定的减载效应而利于坡体的稳定,而当暗穴接近边坡坡脚时则成为黄土边坡稳定性的不利因素,在边坡底部存在的双暗穴明显削弱了边坡的稳定性,基质吸力使得非饱和黄土边坡安全系数增大,潜在滑动面变深,反之则使安全系数减小,潜在滑动面上移,基质吸力的丧失或减小以及暗穴的削弱作用使得潜在滑动面位置变化较大。     

动荷载作用下隧道围岩块体稳定性分析及其应用

隧道围岩中的结构面将岩体切割成块体,块体在自然状态下的静力平衡因为隧道开挖而被打破,临空面的产生和动荷载的施加都可能导致块体的滑移,进而引起围岩失稳。以往应用块体理论寻找关键块体时,多只考虑纯重力的作用,而忽视了爆破振动、地震等动荷载对诱发失稳灾害的重要作用。将爆破振动荷载和地震荷载转化为等效静力,并通过数学计算求出使块体安全系数最低的动荷载方向,再利用关键块体理论矢量分析方法分析隧道围岩的稳定性。在长岗隧道中的应用表明,考虑动荷载作用下的块体安全系数明显小于只考虑重力作用时的安全系数,原本稳定的块体也可能在动荷载作用下变成关键块体导致围岩失稳,这与长岗隧道现场记录的破坏现象相符。     

强震作用下核安全级反倾层状软岩高陡边坡组合支挡结构抗震性能研究与加固效果评价

比较了不同行业抗震设计规范中边坡地震影响系数和动态放大系数的取值方法,综述国内核电厂高边坡案例的研究进展。以某工程核安全级反倾层状软岩高陡边坡为例,探讨应用多种方法综合分析其在不同地震作用下的动态放大效应、支挡结构抗震性能和加固效果的分析思路。首先,基于典型二维计算剖面,采用拟静力法进行边坡的初步加固设计;然后,基于大型振动台试验和数值计算,研究了不同地震作用下软岩高边坡加速度动力放大效应、支挡结构的抗震性能;最后,通过现场工程监测评价边坡的加固效果。研究结果表明,在强震作用下,核安全边坡按其他行业规范中的抗震参数取值方法进行设计是可行的,通过振动台和数值分析验证边坡整体是稳定的,支挡结构抗震性能良好,该研究思路和方法是合理可行的,并能节约大量工程投资。研究成果可丰富核安全级软岩高陡边坡研究理论与方法,并为核安全级软岩高陡边坡抗震安全评价和工程设计提供技术支持。     

考虑微结构特征的黄土动力特性影响因素研究

选取1920年海原地震震中滑坡密集分布区宁夏回族自治区西吉县庞湾乡的黄土,分别进行了不同围压,不同含水率条件下的原状、重塑土动三轴试验。结合动三轴试验前后的微观变化图像,探讨围压和水分对黄土试样土颗粒的作用机制,从微结构的角度阐释了两者对黄土动力特性影响的特点。研究结果表明:所取试样动剪切模量与动剪应变的关系可以用H-D模型的推导式拟合,随含水率增加,围压减小,参数a,b值增大;水分在原状试样和重塑试样的作用不同,随着含水率的增加,动剪切模量降低,阻尼比增大,原状试样动剪切模量和阻尼比的变化速率先快后慢,而重塑试样相应值的变化速率先慢后快;除了水分和围压等外在条件的影响,土样本身土体的微观特征如孔隙分布、颗粒大小、粒间间距、联结方式、密实程度等因素对土体动剪切模量和阻尼比等宏观特性产生重要影响。     

基于有限元强度折减法的边坡动力稳定性可靠性分析

传统有限元强度折减法在边坡稳定性数值分析中取得了一定的成功,但由于未考虑岩土体材料参数的变异性等不确定性因素,尚不能直接应用于边坡稳定性特别是动力稳定性可靠性分析问题。为此提出了基于有限元强度折减法的地震边坡动力稳定性可靠性分析方法。将有限元极限分析法、动力分析法和可靠性分析法三者耦合,分析求解边坡在地震作用下的动力稳定性可靠性问题,并将这一过程在数值计算程序中得以实现。在计算分析过程中,克服了原方法需不断人工试算才能得到边坡安全系数而无法量化处理问题,并对边坡动力失效准则进行了适用于程序化的改进,使其计算过程完全实现自主运行。结合典型算例分析结果表明,该方法显著的特点是能较全面地反映岩土体的动力特性和边坡岩土体材料强度参数的变异性及相关性,所得结果相对更加合理且更符合工程实际。该方法既是对有限元强度折减法的应用范围的有益推广,也为边坡动力稳定性可靠性问题研究提供了一条新的有效途径。     

震后黄土动力学特性试验研究

为了研究地震区震后黄土的动力性质,为黄土地区灾后重建提供合理可靠的地震安全性评价参数,本文通过对甘肃省永登地震区震后黄土的动力特性试验研究,探讨了震后黄土的土动力学特性,研究结果表明,震后黄土在动荷载作用下的动力学性质与该地区原状黄土的动力学性质有较大的差异,主要表现在动弹性模量地降低和残余变形(震陷)的明显增大特性。     

考虑含水率影响的非饱和原状黄土冻融强度试验研究

提出了用于非饱和原状黄土增湿的蒸汽增湿方法,给出了蒸汽增湿试验步骤,通过对比试验分析确定了适宜的试验参数,从增湿后水分分布是否均匀、土体密度是否改变等方面论证了蒸汽增湿方法的有效性。对含水率的测试结果表明,微波炉法测试结果能满足精度要求,酒精燃烧法在测试较高含水率时误差较大。进一步应用蒸汽增湿法得到的不同含水率原状土样测定了非饱和黄土冻融后的强度指标,揭示出当非饱和原状黄土含水率过低时,冻融作用对黄土的粘聚力值基本没有影响,当含水率较高时,经历冻融循环后黄土粘聚力值较冻融前降低,冻结温度越低以及冻融循环次数越多,降低值越大。经历冻融循环后黄土内摩擦角值较冻融前增加,冻结温度越低,增加值越大。在含水率较低时冻融循环次数几乎不引起内摩擦角值发生变化,在含水率较高时冻融循环次数越多,引起内摩擦角增加值越大。     

地震条件下不同类型边坡的稳定性研究

用sarma法计算了不同坡高、不同坡角、不同岩体和结构面力学参数的边坡在不同水平地震加速度系数下对应的安全系数,建立了一套能方便快捷地查询边坡安全系数的系统,为各种类型边坡的稳定性评价提供了依据。此外,还分析了坡高、坡角、地震加速度系数、岩体和结构面力学参数对地震边坡安全系数的影响。通过对比查询系统得到的安全系数与其他已有的地震边坡稳定性评价方法得到的安全系数的差异,得出用这种新安全系数查询方法得到的安全系数与其他安全系数计算方法得出的安全系数相差不大。通过将这种新的地震边坡稳定性评价方法应用到几个实际边坡中,所得到的评价结果与滑坡的实际发生情况一致。     

盾构隧道地震响应分析方法及工程应用

盾构隧道在地震作用下可发生接头螺栓剪断、管片开裂、管片端部混凝土脱落、大变形及错台等震害,将影响隧道的安全与正常使用,因此,建立合理的分析模型与计算方法来研究隧道可能的震害具有重要的工程防震减灾意义。采用嵌入梁单元模拟接头,厚壳单元模拟管片,无限元作为动力人工边界,同时在管片之间及管片与地层间设置非连续接触关系,更好地模拟了管片厚度方向应力及管片与地层间的相互作用,建立了厚壳-接触-无限元地震响应分析模型。并将该模型运用于某大直径越江盾构隧道的抗震分析中,计算结果与盾构隧道震害特征较为吻合,表明该模型可反映盾构隧道的真实地震动响应。并应用该模型分析了壁后注浆层材料参数及结构与土体相互作用对管片动力响应的影响。所建模型对于研究盾构或TBM施工隧道的震害分析具有很好的推广价值。     

强震区黄土结构演变与力学响应机制

黄土因其遇水产生湿陷变形而对工程构筑物的安全性造成严重威胁.强震区黄土遭遇先期地震后其内部结构将发生变化,结构演变与黄土初始含水量密切相关.先期地震对黄土的结构性破坏引起宏观力学特征变化,为揭示强震区黄土结构演变与力学响应的内在机制,基于动三轴对黄土试样预先施加不同PGA(peak ground acceleration)条件下动荷载进行预震处理,模拟强震区先期地震对黄土的扰动,后进行固结不排水试验,分析抗剪强度指标与地震荷载及初始含水量的关联性.试验结果表明,初始含水率为2%时,预先施加地震动荷载的黄土试样与未预先施加动荷载的试样相比,其峰值强度出现了明显降低,且随着预先施加动荷载PGA的增加,峰值强度降幅增加.孔隙水压力随应变的不断增加趋于平缓,有效轴向应力和有效围压随应变的不断增加而持续减小,最终趋于平缓;初始含水量增加至12%,预震处理后的黄土试样强度增大.通过绘制应力路径关系曲线,确定了强震区黄土失稳的临界失稳线,对于同一黄土试样,PGA增加后引起黄土失稳线不断下移,表明黄土中的应力状态随地震动荷载的增加而发生变化.初始含水量为12%时,预震后的黄土试样剪切强度增大,表明含水...     

基于核磁共振与氮吸附技术的黄土含盐量对结合水膜厚度的影响研究

结合水膜是一种结合水,对深层黄土渗透与物理力学性质有重要影响,而水膜厚度是其中最为关键的参数。因黄土结构的特殊性及其微观性,结合水膜厚度一般不能通过实验手段直接测得,因此文章基于核磁共振技术与氮吸附试验展开重塑黄土孔隙溶液中含盐量对结合水膜厚度的影响研究。试验结果表明:（1）结合水与自由水的热力学性质不同,低温冻融试验显示黄土内结合水冰点约为-3.3℃,而自由水的冰点则要高于结合水冰点;同时两者在T2驰豫时间上的表现也不相同,通过核磁共振试验分析得到了两者的横向驰豫时间界限-T2截止值为1.65 ms。（2）黄土中结合水膜厚度与土体孔隙溶液内含盐量呈线性负相关,随着含盐量的增加,结合水含量降低,结合水膜厚度不断减小。黄土中含盐量的增加导致结合水膜变薄,水膜厚度的减小又会导致结合水抗剪强度降低,深层黄土渗透性增强。本次试验首次将核磁共振技术与氮吸附法相结合,应用于黄土含盐量与结合水膜厚度关系研究中,试验方法对试样无损伤,且测试快速便捷,具有较高的可靠性,为研究盐渍土中水的赋存状态提供了新思路。     

概率性分析在黄土场地动力沉降评价中的应用

天然黄土动残余应变研究主要依赖室内动三轴试验,如何将有限室内试验数据合理地应用于场地动力沉降的定量评价,是岩土地震工程领域中研究涉足尚少的重要科学问题。应用概率统计与蒙特卡洛模拟等非确定性分析方法,借助综合考虑固结应力、结构强度、空间体积特性和地震动荷载等动残余应变关键影响参量的估算模型,提出有效弱化土体物性参量不确定性（离散性与随机性）的场地动力沉降概率性评价的思路与方法。应用结果显示,利用该方法得出的场地动力沉降的概率分布特征,能够反映天然黄土动残余应变的基本认知特点,对明晰地震作用下天然黄土场地精细动力沉降特性以及据此采用适当合理的地基处理方法,具有理论意义与实用价值。