基于量测位移的隧洞围岩弹性抗力系数反演方法

在水工隧洞工程中,岩石弹性抗力系数K反映了岩石弹性抗力的大小,是设计环节中需要确定的一个极为重要的基础计算参数。水工隧洞工程中需用水压法试验测定弹性抗力系数,由于水压法测定抗力系数不仅耗时、费工、且试验工艺复杂。本文通过对比分析弹性状态下深埋圆形隧洞开挖支护与水压法试验力学效应关系,提出一种基于量测隧洞位移的围岩抗力系数的反演方法,该法可根据量测隧洞位移直接反演得到弹性抗力系数。结合北京市南水北调配套工程南干渠工程试验段工程实践,对浅埋水工隧洞位移进行监测,利用提出的反演方法,得到了隧洞围岩的弹性抗力系数。提出的反演方法为复杂水工隧洞不同围岩应力状态问题的弹性抗力系数反演提供参考和借鉴。     

测定地层弹性抗力系数“K”的新方法

隧洞衬砌结构的强度设计,主要是根据所在地层的弹性抗力系数“K”和普氏系数“f”二指标来进行的,因此二值的大小直接关系到衬砌的硐和钢筋用量,也就是说直接决定着隧洞的造价和建筑物的安全性。在工程地质界,对普氏系数一般还熟悉,而对弹性抗力系数就较生疏,尤其是对该值的确定更感困难。已建成的官厅、古田、狮子滩等水电站的引水隧洞的“K”值,都是凭地质人员的“经验”而确定的,这样确定的数值,水工设计人员往往难以对其信任,而地质人员本身信心亦不高,不过到目前为止,国内还没有比这经验方法更好的办法。     

基于统一强度理论的巷道围岩抗力系数研究

在岩土工程中,岩石抗力系数K反映了岩石抗力的大小,是设计环节中需要确定的一个极为重要的基础计算参数。基于统一强度理论,将巷道围岩视为多孔介质,考虑地下水渗流作用的影响,推导出了巷道围岩抗力系数计算统一公式,改变公式中的参数可以退化为其他围岩条件或者其他强度理论条件下的围岩抗力系数计算公式。研究结果表明,反映中间主应力对材料屈服影响的参数b、材料的黏聚力c、内摩擦角?、孔隙水压力、地应力、衬砌压力均对围岩抗力系数K有一定影响。     

山西省万家寨引黄工程总干线6～7号洞N_2土层地段压力注浆锚杆试验与施工

引黄工程总干线全长21.6km，隧洞采用TBM全断面掘进、混凝土管片衬砌的施工方式。经过Q2、Q3及N2红粘土地层的隧洞，采用压力注浆锚杆技术，通过压力注浆和系统锚杆的挤压粘结作用，加固洞周以外一定范围内的土体，提高其自身弹性抗力并改善防渗性能，形成一定的连续承载圈；同时，锚杆体作为支撑，和拉杆与4块管片镶嵌的结构结合形成共同作用体，增加了衬砌管片之间的钢性连接设施，确保通水后土层的变形不会直接威胁管片的稳定。     

弱胶结西域砾岩引水隧洞围岩抗力特性试验研究

弱胶结西域砾岩物质成分复杂、胶结较差,其力学性质十分不稳定,为科学反映弱胶结西域砾岩地层高压引水隧洞围岩的抗力特性,采用径向液压枕现场试验方法与基于传统承压板变形试验结果的完全弹性模型以及考虑开挖卸荷影响的弹塑性模型的理论估算方法,对弱胶结西域砾岩引水隧洞围岩的抗力特性进行综合研究。分析结果表明:(1)径向液压枕现场试验方法获得弱胶结西域砾岩围岩抗力系数为6.02~26.03MPa/cm;(2)根据承压板法等常规变形试验结果,采用完全弹性模型估算弱胶结西域砾岩围岩单位抗力系数为7.46~13.54MPa/cm,采用考虑开挖卸荷影响的弹塑性模型其估算结果为5.00~13.54MPa/cm;(3)受西域砾岩的颗粒组成特征及现场变形试验承压面积限制,根据承压板法获得的岩体变形模量,采用理论估算方法获得的围岩抗力系数较径向液压枕法试验结果偏低;(4)径向液压枕法现场试验结果反映了地应力环境、围岩材料特性、开挖卸荷影响等多因素影响下的围岩抗力特性,可为西域砾岩引水隧洞开挖及围岩衬砌提供直接可靠的围岩综合抗力系数。     

高速铁路隧道围岩抗力系数现场试验与理论研究

以沪昆高速铁路隧道为依托,通过现场径向液压枕试验,测量各级压力下半径向变形,获取了隧道研究点处岩石抗力系数实测值。在实测数据的基础上,结合国内外相关的弹性抗力本构模型,建立了沪昆高速铁路隧道围岩抗力系数的5种理论计算模型：理想弹塑性模型、爆破裂缝弹塑性模型、塑性软化岩体模型、Lade-Duncan准则模型、统一强度理论模型,并有针对性的将所研究的20座隧道进行分类,分别计算其围岩抗力系数理论计算值。为了弥补现场试验点数目的限制,对所研究的隧道展开了数值模拟分析。通过对不同的埋深、围岩级别、地质特征下岩石抗力系数现场试验值、理论计算值、数值模拟值和规范值进行对比和综合,提出了高速铁路大断面隧道的围岩抗力系数推荐值,该推荐值突破了普通铁路隧道规范中关于抗力系数建议值仅限于弹性模型的限制,为优化隧道结构设计,充分利用围岩的自承能力提供了理论依据。     

移动环形荷载作用下饱和土中圆形衬砌隧洞动力响应研究

基于Biot理论,研究了饱和土中带有衬砌的圆形隧洞在移动环形荷载作用下的动力响应。假定衬砌为弹性体,土体为饱和多孔介质,引入两类势函数来表示土体、孔隙水和衬砌的位移,使隧洞的控制方程解耦。结合边界条件及连续条件,通过傅立叶变换得到频率-波数域中衬砌和土体的应力、位移和孔隙水压力解答,最后用傅立叶积分逆变换得到时-空域中的数值解。计算并比较了3种隧洞模型（弹性土体隧洞、饱和土体隧洞和饱和土衬砌隧洞）的动力响应分析。数值分析结果说明：（1）移动荷载速度对3种隧洞动力响应均具有较大影响;（2）弹性土体隧洞和饱和土体隧洞的动力响应具有明显区别,所以在富水地区的隧洞动力响应中土体应该视为饱和土体;（3）衬砌对隧洞动力响应有较大影响,故隧洞的动力分析中不能忽略衬砌作用。     

关于普氏地压理论及强度系数的几个问题

“工程地质水文地质”1958年第一期刊载了吴世铮同志的“水工隧洞工程地质勘测中坚固系数值 f 与弹性抗力系数 K 值的确定方法”一文,其中叙述了 f值及 K 值的基本概论和确定 f 值和 K 值的一般方法以及注意事项与影响因素。对于 K 值的确定,因了解不够,缺乏经验不拟在此文中讨论;但对地层压力及强度系数的问题,我们不十分同意吴同志的某些论点。鉴于近年来,强度系数的概念越来越广泛地被应用于采矿、铁道、水力发电、国防工程等部门的建设中,因此我们认为有必要就这一问题提出一些意见。     

基于多孔介质弹性理论的碳酸盐岩地层超压预测

碳酸盐岩地层超压预测目前仍然是国内外研究的难点问题。碎屑岩超压预测方法均是建立在明显的超压测井、地震宏观响应规律基础上的经验关系,这些经验性方法不适用于因岩性致密使得超压地球物理响应微弱的碳酸盐岩地层。通过碳酸盐岩样品超压岩石物理模拟实验,分析了在应力-孔隙压力共同作用下岩石中声波速度、弹性参数的变化规律;基于多孔介质弹性理论和广义胡克定律推导并建立了表征孔隙压力与岩石弹性参数定量关系的理论模型,即多孔介质弹性理论的超压预测量化模型。以川东北地区典型碳酸盐岩超压钻井为例,开展了碳酸盐岩地层超压预测应用研究:针对碳酸盐岩地层选择油气水测井综合解释模型获取岩石物性参数;利用Voigt-Reuss-Hill平均模量模型计算岩石基质体积模量,利用Wood模型和Patchy模型计算孔隙流体体积模量,利用BISQ模型计算岩石骨架体积模量,然后通过多孔介质弹性理论量化模型预测超压。预测结果显示预测压力与钻杆实测压力(DST)吻合较好,与泥浆密度换算压力和随钻监测压力变化趋势相近,表明这种基于多孔介质弹性理论的超压预测量化模型是一种解决碳酸盐岩地层超压预测的新途径。     

圆形有压隧洞衬砌结构计算公式的探讨

对《水工隧洞设计规范》（SL279—2002）中附录B圆形有压隧洞衬砌结构计算公式进行理论推导,以便更加熟练地掌握弹性力学方法进行圆形有压隧洞衬砌结构计算的理论模型。     

水工隧洞钢筋混凝土衬砌外水压力取值方法研究

外水压力是隧洞衬砌承受的主要荷载之一,也是控制其建设与运行或检修过程中衬砌结构安全的关键因素。目前外水压力的取值仍然以经验公式为主,存在很大的局限性和不准确性。首先分析对比了衬砌外水压力的折减系数法、理论解析方法和数值分析方法几种取值方法,然后进行了不同渗透环境和衬砌支护条件下的衬砌外水压力计算。结果表明,随着围岩渗透性和衬砌厚度的增大,衬砌外表面的水压力越大;对于渗流数值计算,模型范围应取距离隧洞中心不小于30倍洞径;考虑渗流场的时间效应,开挖完成10 d后隧洞的渗流场趋于稳定,衬砌支护20 d后衬砌外侧水压力分布趋于稳定。     

水工压力隧洞结构配筋计算分析

四川地区某水电站引水发电洞压力隧洞结构受力情况复杂,隧洞衬砌结构配筋计算是工程的重要环节。运用三维有限元仿真技术进行模拟计算分析,选定衬砌结构配筋的参数。实践证明三维有限元仿真计算方法可靠工程运行多年,隧洞衬砌监测数据正常。     

埋管隧道竖向地层压力的研究

采用离心模型试验，通过量测模型衬砌在土压力作用下的环向应变，结合有限元计算方法，推求了衬砌所受到的土压力在试验结果分析的基础上，提出了改进的地层压力计算方法。     

半无限含水层中带衬砌隧洞渗流解析研究

现有关于半无限含水层中隧洞渗流的解析解不能考虑衬砌部分排水的特性。假定土体和衬砌均为饱和均匀连续介质,采用土体与衬砌分算;利用复变函数解决孔口问题基本方法,对土体采用共形映射坐标变换,将土体中的渗流方程转换为与衬砌部分类似的二维Laplace方程圆环域的Dirichlet问题;通过Fourier解法,根据边界条件并利用流量连续条件,求得半无限空间中带衬砌隧洞渗流量和衬砌周边水头解析解答。分析了径深比、土体与衬砌渗透系数相对值、内壁水压力等因素对渗流量和衬砌周边水头的影响,并与数值算例进行了比较。结果表明,对浅埋隧洞该解析解仍具有较好的精度,是简便、实用的计算方法。     

地铁隧道复合式结构可靠度简化分析方法研究

应用荷载-结构模型,建立了地铁矿山法区间隧道二次衬砌结构截面可靠度功能函数,根据北京地铁4,5和10号线勘探地质地层物理力学性质统计特征,利用蒙特卡罗方法进行区间隧道结构可靠度分析。探讨了在长期自然环境下复合式衬砌的初期支护与二次衬砌各自的作用,认为二次衬砌承受运营阶段的全部荷载,初期支护的作用仅仅是改善了二次衬砌的工作环境,改善后二次衬砌周围的弹性抗力系数应适当提高,这样处理不仅可简化计算工作,也符合衬砌结构的实际工作情况。     

基坑支护设计的弹性抗力法

本文对基坑支护设计中常用的设计方法作了评述 ,阐述了弹性抗力法的基本原理 ,对计算时土压力分布模式的选择问题和多支撑板桩墙计算模型位移协调问题给出了明确答案 ,最后通过实例分析阐明了采用弹性抗力法进行基坑支护设计的思路和步骤。     

锚杆抗滑桩桩侧地层抗力分布模式的试验研究

介绍了锚杆抗滑桩系统桩侧地层抗力分布规律的室内模型试验成果,试验共分3组,其中2组在坡体后缘加载,第3组采用千斤顶直接在桩后加载,桩身上各贴有一定数量的土压力盒,用以测定作用于桩身上的地层抗力。从3组试验中得出了锚杆抗滑桩桩身的荷载分布图,分析这些荷载分布图可以看出,对于锚杆抗滑桩来说,其滑面以下桩身的地层抗力主要分布在桩前一侧,与普通悬臂式抗滑桩计算模型中采用的地层抗力主要分布在桩背一侧的模式是不同的。根据试验结果给出了锚杆抗滑桩系统桩侧地层抗力的3种分布模式,并给出了桩前滑面以下部分被动抗力值的大致范围。     

内水压力下水工隧洞衬砌与围岩承载特性研究

衬砌与围岩是水工隧洞的主要组成部分,内水压力是其承担的主要荷载之一。采用轴对称计算模型,以衬砌与围岩间接触应力状态为判断标准,研究了衬砌混凝土开裂前后围岩渗透系数、变形模量等材料参数对衬砌与围岩联合承载特性的影响,详细地介绍了透水衬砌的设计方法和计算过程,以混凝土最大裂缝宽度为控制标准,编制了透水衬砌结构计算与配筋设计程序,并给出了算例验证。计算结果表明,围岩渗透系数是隧洞结构设计的关键,与围岩变形模量具有同等重要作用;围岩透水性越差或变形模量越低,衬砌与围岩越容易脱开;与混凝土开裂前相比,混凝土开裂后,衬砌与围岩更容易脱开;与钢板衬砌方案相比,钢筋混凝土衬砌方案可以很大程度地减小钢材用量;建议高压钢筋混凝土衬砌隧洞设计、施工时,应尽可能地保持围岩的完整性,并进行细致周密的固结灌浆,以增强围岩抗渗能力。     

成岩成矿深度的理论基础和构造校正测算的方法

<正>成岩成矿深度的构造校正测算方法,是从测算压力中先消除构造附加静水压力之后再计算上覆岩石厚度,即成岩成矿深度的方法(吕古贤和刘瑞珣,1999)。该方法建筑在对地壳岩石处于固体应力状态的认识之上,采用弹性固体模型代替静止流体模型,比沿袭至今单纯用压力/密度方法得出的深度更符合于实际情况。该文以胶东玲珑-焦家式金矿床为例,介绍了该方法的理论基础和野外地质研究方法——开展变形岩相形迹填图,在室内利用三维变形和古差应力测量,计算差应力时根据样品所处构造     

考虑岩体峰后非线性软化的衬砌压力隧洞应力解

采用弹性－塑性非线性软化―裂缝区三阶段围岩模型,根据全量理论将真实岩体单轴应变非线性软化特征推广,得到复杂应力状态下岩体等效应力和等效应变关系,在此基础上对衬砌压力隧洞在等压荷载作用下进行弹塑性分析。推导出了围岩裂缝区、塑性软化区、弹性区和衬砌内任一点的应力与位移的解析计算式,得到了衬砌边缘岩体开始产生塑性变形的临界内压力。该解析式具有广泛的适用性,基于理想塑性介质的解答如Kastner解和完全脆性介质的解答均为特例。