深部岩体地应力瞬态卸载诱发振动效应的影响因素

针对深埋隧洞爆破开挖振动控制,以瀑布沟水电站2#引水隧洞爆破开挖为工程背景,讨论了地应力瞬态卸荷诱发振动特征及影响因素,并结合实测数据采用数值模拟的方法进行了验证分析。研究发现：中、高地应力条件下开挖面初始应力的瞬间释放诱发的振动是爆破开挖诱发振动的重要组成部分;当波阻抗一定时,开挖面初始应力动态卸荷诱发振动由地应力水平、开挖面初始应力、开挖面面积和振动衰减指数共同决定,动态卸荷诱发振动最强段发生在开挖面的初始应力和开挖面面积综合效应最大的位置;深埋隧洞爆破开挖振动的强度是由爆炸荷载和开挖面初始应力动态卸荷效应共同决定的,减小炮孔排距和进尺、采用较小洞径和分部开挖能有效降低地应力瞬态卸荷效应强度,控制深埋隧洞的爆破振动强度。     

考虑主应力轴旋转的基坑开挖应力路径研究

首先对应力路径的概念进行丰富和扩展,提出考虑主应力轴旋转的三维应力路径,然后采用数值方法,对基坑开挖过程中的应力路径进行了深入分析,研究了基坑内外各种应力路径及其规律,结果表明：开挖过程中无论横向还是竖向,应力路径都表现出卸荷特性,且坑内卸荷量大于坑外卸荷量,使得坑内应力变化及主应力轴旋转较坑外大;随着离基坑中心距离的增大,坑内应力变化减小,主应力轴旋转趋缓;开挖过程对坑外应力变化及主应力轴旋转的影响随离围护墙距离的增大而减小。坑内应力路径总体表现为平均压应力p减小,广义剪应力q减小,主应力轴偏转角? 增大;坑外应力路径总体表现为p减小,q增大,? 增大。最后归纳出基坑开挖过程中坑内与坑外的典型应力路径,以指导基坑工程实践设计分析和室内试验模拟。     

高边坡开挖应力路径下黄土变形和强度特性的试验研究

为了探究高边坡开挖路径下黄土的力学性质,首先采用线弹性有限元法模拟一高150m的人工边坡在开挖条件下,潜在破坏区黄土的应力路径。据此路径分别对天然和饱和试样做了三轴固结不排水试验,并做了相同固结应力的加载应力路径试验（CTC）。结果表明开挖应力路径下饱和试样的应力应变关系为应变软化,天然试样为应变硬化;CTC试验条件下,饱和试样应力应变也为应变软化,天然试样亦为应变硬化,但硬化比开挖应力路径明显。上述两种试验条件下,饱和试样的有效应力路径接近,强度包络线相同,有效强度参数相同;天然试样则不同,强度包络线近似平行,开挖应力路径下有效黏聚力c’高于CTC,有效内摩擦角φ’相差不大。实际工程中获取土体变形和强度性质时应考虑应力路径和含水率的影响。     

开挖与支护应力路径下硬岩破坏过程的真三轴与声发射试验研究

针对硬岩的脆性破坏问题,利用真三轴和声发射（AE）试验系统研究了灰岩试样在不同应力路径和应力水平下的力学特征与变形破坏机理、AE活动特征及能量释放规律。试验研究表明：（1）开挖卸荷应力路径下,试样强度受卸荷作用影响较大,且随中间主应力呈区间性变化,试样以脆性劈裂破坏为主;（2）开挖卸荷+支护的应力路径下,支护力显著改善了岩石的力学性质,破坏形式以张剪性破坏为主;（3）试样AE活动过程可以分为三个活跃期（裂隙压密阶段、卸荷阶段和失稳-破坏阶段）和两个相对平静期（弹性变形阶段和微破裂稳定发展阶段）,AE信号表征参数“absolute energy”作为能量度量指标能够较好地定量描述和研究硬岩的脆性破坏过程。试验结果和许多工程开挖和支护过程中岩体的力学行为和支护作用类似,可为工程现场开挖支护设计提供试验依据和有益指导。     

基于快速应力释放的深埋隧洞岩爆防治对策研究

大型地下工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能而产生岩爆。岩爆作为常见的一类动力失稳地质灾害现象,极大地威胁着现场施工人员和设备的安全。作为雅砻江锦屏二级水电站的主要工程,千米级埋深的引水隧洞也面临高地应力下硬岩岩爆问题。针对锦屏二级引水隧洞岩爆的特点,提出采用快速应力释放的方法防治岩爆,并采用数值模拟的方法优选了倾斜辐射爆破孔方案。数值模拟结果表明：该方法能使岩体内的初始应力快速卸荷,同时使应力集中区向岩体深部转移。通过在锦屏二级引水隧洞工程中的试验与运用,采用声波测试法对实施快速应力释放方案的效果进行检验,验证了快速应力释放方法防治岩爆的有效性。研究成果为解决类似工程岩爆防治问题提供了理论依据和借鉴。     

隧道应力扰动区地应力测试及反演研究

通过对隧址区地应力的调查和现场测量,初步确定该区域存在较大的构造应力,但因岩芯破碎,只获得隧道应力扰动区的应力实测值。为此在三维数值模拟过程中模拟了河谷的下切过程,以反映地形对应力场的影响,并采用试算的方法调整侧压系数,从而确定合理的初始应力,使试算结果与现场测量的数据基本吻合,最终确定出合理的侧压系数和初始地应力的数值,弥补了现场测量的不足。研究结果表明,隧道轴线各点的地应力与隧道的埋深、地形地貌有关,且在K42段处于极高的应力状态,为隧道的开挖、支护及稳定性分析提供了科学依据。     

锦屏二级水电站交叉隧洞围岩稳定性分析

锦屏二级水电站引水隧洞具有埋深大等复杂的地质情况,因此在已有隧洞的基础上开挖与之相交的主隧洞,主隧洞（特别是在交叉部处）围岩性质弱化并且围岩自身稳定性降低。因此结合高地应力区深埋隧洞工程,通过3D弹塑性有限元数值仿真模拟,并且通过模型试验,分析围岩在开挖中的应力释放及应力分布规律,为深埋隧洞交叉段监控量测系统的设计、施工方案优化及安全控制提供依据。     

考虑卸荷效应的深埋隧洞围岩分区破坏数值模拟

基于卸荷岩体力学基本理论,运用三维有限差分软件,提出以塑性体积应变增量变化区间与不同卸荷区域岩体力学参数相对应的卸荷模拟方法,模拟了不同侧压系数条件下开挖洞周附近围岩最大体积应变增量以及围岩损伤范围的变化情况。数值模拟结果表明：当侧压系数较低时,洞周附近围岩的塑性体积应变增量区域的外边界近似为竖向椭圆形,随着侧压系数的增大,其外边界逐渐向圆形变化,最后变为横向椭圆形。侧压系数越大,围岩的卸载效应越显著,洞周附近围岩的塑性体积应变增量就越大,其所产生的围岩损伤范围也相应越大。利用所获得的结果,可以为深埋隧洞的稳定性分析以及支护设计提供依据。     

三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究

针对含结构面岩石的脆性破坏现象,探讨了三向应力条件下岩体破坏的单结构面控制效应。利用真三轴试验进行验证,系统研究了单结构面岩石试样在模拟工程岩体开挖卸荷与支护应力路径下的力学行为、结构控制规律及声发射（AE）特征等。研究表明,(1) 三向应力下单结构面控制效应能够较好地描述工程岩体的结构控制规律和卸荷、支护作用,真三轴试验结果与理论分析较为吻合;(2) 开挖卸荷与支护应力路径下,含结构面岩体的破坏模式、卸荷的影响和支护效果等均与应力状态、支护强度及结构面参数有关,可依据结构控制规律,从工程方位布置、提供合理支护等方面采取措施避免岩体发生结构控制破坏;(3) 试样的AE活动和能量释放规律与完整试样相似,但结构面的存在降低了试样储能能力,且95 %以上的应变能在破坏阶段突然释放。试验研究和结构面控制效应的探讨对地下工程岩体开挖支护有一定的指导意义。     

三峡引水工程秦巴段输水隧洞稳定性分析

三峡引水工程秦巴段隧洞总长占线路总长的80%。为了分析隧洞施工及运营中可能发生的工程地质问题,在地质调查、地应力测量和岩石力学参数测试的基础上,利用Ansys有限元软件对引水工程北部不同深度、不同截面形态的隧洞围岩的应力重分布情况进行了模拟计算,得到了圆形隧洞、城门形隧洞和马蹄形隧洞围岩的应力分布结果。利用Hoek-Brown强度准则,得到了隧洞围岩的强度/应力比值,进而对不同深度、不同截面形态的隧洞围岩的稳定性进行了分析。初步认为:隧洞埋深小于1000m时,应优先考虑圆形隧洞和马蹄形隧洞;埋深大于1000m时,应优先考虑城门形隧洞。这项研究成果为引水工程深埋隧洞的设计提供了参考依据。     

引黄隧洞地应力测量

本文应用水压致裂地应力测量法和声发射法,在山西太原引黄工程的两个钻孔中进行了地应力测量,得到了可靠的数据,为隧洞设计提供了依据。文章首先对水压致裂测量方法进行了介绍,然后给出了测量结果。并对隧洞断面的设计和岩爆问题进行了讨论。根据岩爆发生的准则指出,若隧洞走向与最大水平主应力平行,且选择适当断面,将减小岩爆发生的可能性。      

应力路径对饱和软黏土割线模量的影响

在基坑、隧道开挖等过程中,不同部位的土体会经历不同的应力路径,在不同的应力路径下,土体可能表现出截然不同的静力学特性。同时,在工程实际中,土体的工作应变经常处于小应变范围,而在小应变情况下,土体的静力特性表现出更强的非线性和应力路径依赖性。基于广泛分布于东部地区,并且表现出诸多不良工程特性的软黏土,进行一系列不排水和排水条件下的应力路径静力试验,以研究应力路径对饱和软黏土静力特性,尤其是小应变情况下割线模量的影响。试验结果表明,不管在不排水还是在排水条件下,应力路径都对饱和软黏土的静强度产生巨大的影响,表现为围压增加的加载应力路径增大了静强度,而围压减小的卸载应力路径降低了静强度。同时,应力路径对割线弹性模量产生了更大的影响,围压增加的加载应力路径降低了割线模量,而围压减小的卸载应力路径增大了割线模量。应力路径对割线模量的影响在小应变时表现的更加明显,而这种影响主要原因是应力路径方向改变造成的土体各向异性。     

不同固结条件下黏土数值化建模的研究

研究了不同初始固结压力条件对黏土本构关系的影响。进行了2组不同固结条件下的排水压缩试验,即等压固结条件和K0固结条件。采用数值建模方法,以 和 为硬化参数的双屈服面模型为框架,通过对试验数据空间的反演获得两种不同初始条件下的黏土弹塑性本构关系,并在整个应力场 可视化。将该数值模型嵌入有限元程序对三轴压缩试验进行数值模拟,并与试验曲线及相同路径下的剑桥模型和Duncan-Chang模型关系曲线进行对比。结果表明,数值建模方法有较好的容错性,能很好地反映应力历史的影响,能模拟真实应力路径。     

粉质黏土卸荷变形特性试验研究

依托武汉长江隧道江北明挖段基坑工程,开展了一系列的K0固结状态下原状粉质黏土卸荷应力路径排水剪三轴试验,并对卸荷变形特性进行了深入分析。分析表明：卸荷应力路径下原状粉质黏土的应力-应变关系与应力路径有着密切的关系,近似呈双曲线型。根据应力-应变曲线表现,可将卸荷应力路径分为A、B两组,A组应力路径试样表现为轴向压缩;B组应力路径试样表现为轴向伸长。卸荷应力路径下粉质黏土的应力-应变关系具有良好的归一化特性,同一应力路径下不同固结压力的应力-应变曲线可采用双曲线函数用平均固结压力归一化,但A、B两组应力路径下的归一化方程有所差别。给出了各种应力路径下的归一化方程,可为卸荷土体的变形参数及本构关系研究提供参考。     

高填方地基不排水稳定性分析强度指标研究

目前国内工程界对高填方地基的排水稳定性关注较多,然而针对地下水位较高、排水性能较差的原状地基,由快速填筑引起的不排水稳定性问题更为突出。综述了现行规范中关于边坡不排水稳定性分析的相关条文及国内外常用方法。通过分析总应力摩擦角的应力路径相关性以及计算原状地基典型点位的总应力加载路径,解释了采用三轴固结不排水（consolidated-undrained,简称CU）总应力强度指标进行不排水分析,会高估高填方地基的不排水稳定性,该方法存在理论缺陷和工程隐患。以简单假想边坡模型和某高填方机场实际工程为算例,利用简化Bishop法,选用5种不排水分析指标或模型,分别计算其不排水稳定性安全系数。结果表明：CU总应力法会高估高填方地基的不排水稳定性;其余4种方法计算得到的不排水稳定性安全系数比较接近,相对适用。     

应力路径对地表变形特性影响的数值模拟

针对不同环境条件及工程因素对地表变形影响的不同特点,研究了不同应力状态下土的变形特性,得出其影响地表变形的基本规律。通过典型三轴试验对比分析了变形规律,由试验数据空间反演了各应力路径下的本构模型空间,编制相应的模块嵌入有限元程序,模拟了几种不同路径下地表沉降算例,得到了导致地表变形的几个基本规律：①不同的地表变形问题对应的应力路径千差万别,需要用不同的应力路径条件下的本构模型进行分析;②应力路径的影响是不可忽略的,甚至在诸多因素中起主导作用;③数值建模方法建立起来的模型通过权值系列的不同反映应力路径的影响,能较好应用于此类问题的分析;④CTC与TC路径极限体变相差近20 %;⑤CTC路径的剪缩区范围比CTE路径大,两种路径下剪缩体应变值最大相差近17.3 %;CTE路径较CTC路径的剪胀更为明显,剪胀体应变最大相对差值近98 %。     

并行隧道围岩应力的线弹性分析

间距较小的并行隧道,两洞室开挖的相互影响不能忽略。引入双圆洞室围岩应力函数的线弹性方程,并通过编程实现工程计算,探讨了间距较小的并行双圆隧道围岩的应力特点以及应力随净距改变的变化规律,为间距较小的并行隧道围岩状态的定性判断提供了依据。     

黏土强度指标的测定和选取

在岩土工程界,强度指标的测定和选取存在着不统一的现象。具体表现在（1）强度试验的划分;（2）不排水强度的测试;（3）加载工程强度指标的选取;（4）卸载工程强度指标的选取。针对上述问题,指出不固结不排水试验宜称为天然固结不排水。讨论和比较了国内外常用的地基天然强度测试方法。对国内的改进有效应力法和有效固结应力法进行了理论分析,指出二者均低估了现场固结不排水强度。建立了采用各向等压固结试验模拟现场K0固结时的等效围压计算公式及等效于CK0U试验的有效固结应力法强度增长公式。分析了国外的不排水有效应力法、QRS法和不排水强度分析法的特点和适用条件,指出不排水强度分析法所采用的SHANSEP试验方法能合理考虑分期施工过程中地基土的强度增长,适合在国内采用并对国内常用的加载-卸载-加载方式获取卸载强度指标的适用情况做了分析。     

厦门海底隧道顶板厚度选择及其开挖稳定性分析

在厦门海底隧道轴线的地质剖面图上,选取了4个典型的剖面,应用多裂隙岩体三维弹塑性本构关系和损伤演化方程进行数值分析研究,得到了应力分布、洞周位移、塑性区、损伤区等结果。通过对应力扰动区的分析,以及隧道轴线位置、轴线升高或降低后各剖面应力扰动范围与弱风化层厚度的对比,很容易确定厦门海底隧道的最小顶板厚度;根据应力分布、洞周位移、塑性区、损伤区结果,评价了海底隧道的开挖稳定性。二者的有机结合,说明了将设计方案的轴线位置提高4 m后隧道是稳定的。     

西周岭隧道地应力测量及岩爆预测分析

为指导施工,提高施工的安全性和经济性,对西周岭隧道进行了钻孔水压致裂法地应力测量.测试结果表明:西周岭隧道深埋段地应力场以水平应力为主,在测试深度内最大水平主应力值为10.57～19.39MPa,具中等偏高应力水平;最大水平主应力方向为近N33°W,与隧道走向的夹角较小,即地应力对隧道围岩稳定性较为有利.基于地应力实测...