深埋顶管顶力理论计算与实测分析

针对管幕预筑法中深埋顶管顶力进行理论和实测分析。顶管顶力与垂直土压力密切相关。参照隧道开挖中垂直土压力的计算方法,常用的垂直土压力计算理论有：普氏理论和太沙基理论。在详细分析了这两种垂直土压力计算理论的适用性和缺陷之后,结合普氏理论和太沙基理论,提出了改进的垂直土压力计算理论公式,并编写MATLAB程序计算改进理论公式的数值解。改进理论既考虑了土拱效应,又考虑了拱下土体的挟持力,更符合实际土体变形情况。将普氏理论、太沙基理论和改进的理论应用于沈阳地铁新乐遗址站管幕预筑法顶管工程中,计算不同深度的两根大埋深管道顶力,并把计算与实测结果进行比较,发现普氏理论和太沙基理论计算结果都远大于实测值,改进理论计算结果稍大于实测值,更适合于深埋顶管顶力估算。     

地铁隧道竖向土压力荷载的计算研究

在地下结构按荷载结构模型计算分析时,如何确定作用在地下结构上的上覆土荷载的大小及分布是合理设计的关键。对于松软地层浅埋隧道,竖向土压力经常取全部土层厚度重量;而覆土厚度较大时采用坍落拱统计公式以及泰沙基理论或普氏压力拱理论等,这些理论公式在选用时还存在一些问题,值得进一步研究改进。根据北京地铁所处地层、隧道尺寸及埋深情况,采用常用覆土压力理论对北京地铁四、五、十号线标准断面安全度进行试算分析,提出了北京地铁隧道竖向土压力荷载计算方法,对地铁隧道及城市地下工程均具有借鉴参考价值。     

非饱和土抗剪强度及土压力统一解

基于统一强度理论和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,并与文献试验结果进行比较,验证了公式的正确性;进而考虑基质吸力的不同分布,得到非饱和土主动土压力和被动土压力统一解,克服了朗肯土压力的不足,并得出中间主应力和基质吸力对土压力的影响特性。研究结果表明,主动土压力随着统一强度理论参数和基质吸力的增大而不断减小,被动土压力则相反;当基质吸力沿深度线性减小时,主动土压力和被动土压力都不像基质吸力沿深度为常数时变化得那么快。该结果为非饱和土抗剪强度和土压力分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

高速铁路膏溶角砾岩深埋隧道支护荷载确定方法

合理的支护荷载确定方法是膏溶角砾岩深埋隧道设计和施工过程中的关键科学问题。以石太客运专线太行山隧道累计穿越4 410 m膏溶角砾岩地层为依托,通过现场支护荷载量测试验,统计得到初支围岩压力和二衬接触压力。采用泰沙基理论、比尔鲍曼理论、谢家烋理论、铁路隧道设计规范和普氏理论共5种方法分别计算围岩压力,并与现场实测值相比较。结果表明：围岩压力以竖向为主,泰沙基理论值与现场实测统计值最为接近;围岩压力在竖向、水平分布模式不同于传统计算方法,推荐竖向压力采用双峰型或均匀分布,水平压力采用折线型分布;初支和二次衬砌共同承担荷载,二衬分担比例为50.1%。研究成果可为高速铁路膏溶角砾岩以及类似地质条件深埋隧道修建提供参考。     

综合考虑宏微观复合损伤的节理岩体本构模型

针对目前节理岩体损伤本构模型中仅考虑节理等宏观缺陷造成的损伤,而没有考虑岩块中微裂纹等微观损伤的不足,提出了综合考虑宏微观损伤的节理岩体本构模型。其中微观损伤模型采用基于应变强度理论和岩石微元强度服从Weibull分布假定的统计损伤模型,把其应用于被节理切割而成的岩块。而宏观损伤模型主要基于连续介质力学原理,把节理对岩体性质的劣化作为损伤来考虑。在考虑节理传压及传剪系数的基础上,提出了综合考虑宏微观复合损伤的节理岩体本构模型。算例表明宏观节理的存在大大削弱了岩体的强度,降低了其刚度,增大了其柔性。所提出的模型能够较好地反映宏微观两类损伤对岩体应力-应变关系及强度的影响,较为合理。      

墙体绕基础转动情况下挡土墙土压力的统一解

实践证明,作用于挡土墙的主动土压力沿墙高不是直线形分布,而是非线性的。采用统一强度理论,通过对滑动土体中水平薄层单元的分析,给出了墙体绕基础转动情况下土压力合力、强度及土压力分布的理论计算公式。公式推导过程中考虑了中间主应力效应的影响。结果表明,强度理论效应对土压力有很大的影响,应用统一强度理论解可以更好地发挥填土材料的强度潜力,并能获得明显的经济效益。     

气体吸附对煤层安全钻井液密度的影响

煤岩中割理极为发育,导致煤层非均质性极强,在煤层钻井过程中井壁极易垮塌,掩埋钻具,钻井过程中配置合理的钻井液用以保持井壁稳定具有重要的意义。现阶段主要是运用经典连续介质理论模型进行钻井过程中安全钻井液密度窗口预测,导致现场实际效果较差。实际煤层不仅割理发育并且大量CH₄以吸附态赋存于煤层中,将弱化煤岩力学强度,使原本就易失稳的井壁越加不稳定。因此,针对煤层为非连续介质的特殊性,基于非连续介质力学构建的离散元模型分析钻井过程中煤层井壁稳定性,并结合连续介质强度分析法在考虑气体吸附对煤岩力学强度弱化影响的情况下,用以确定煤层最佳防塌钻井液。最后,根据山西省宁武盆地的煤岩数据及现场钻井液资料,利用上述理论进行实例计算,指出研究区煤层防塌需保证钻井液密度大于1.009 g/cm3,并且需在钻井液中添加暂堵剂以提高其封堵能力。      

节理岩体地基极限承载力研究

由于节理岩体具有复杂的力学特性,节理岩体地基的极限承载力问题一直都没有很好解决。利用非线性统一强度准则考虑中间主应力影响和岩性、岩体结构特性可以通过参数m,s和σc 来反映的优点,将非连续介质特性的节理岩体等效为连续介质,在确定即时摩擦角后,结合滑移线场理论获得了节理岩体地基极限承载力的封闭形式的理论解,其解考虑了边界条件和基础的几何形状,举例说明了计算裂隙岩体极限承载力的过程和所需的参数。结果表明：节理岩体的材料特性和中间主应力对极限承载力具有重要影响。     

基于统一强度理论朗肯土压力参数的正交试验

经典朗肯土压力理论是土压力计算的重要理论之一,采用统一强度理论主应力型表达式和平面应变假设,首先将挡土墙土压力问题视为平面应变问题,通过广义虎克定律确定出中主应力,并根据朗肯土压力分析原理确定出另外一个主应力,最后结合统一强度理论主应力型表达式分别推导了朗肯主动土压力和被动土压力的计算公式。经典的朗肯土压力计算公式仅为该统一解的特例。最后通过算例采用正交试验设计对反映中主应力影响的中间主剪应力系数、粘聚力、内摩擦角、重度 4种因素进行了敏感性分析。结果表明,中主应力对朗肯土压力计算结果的影响是一个不可忽视的重要因素。      

对岩土工程数值分析的几点思考

首先,介绍了笔者对我国岩土工程数值分析现状的调查结果及分析,然后,分析了采用连续介质力学分析岩土工程问题的关键,并讨论分析了岩土本构理论发展现状,提出对岩土本构理论发展方向的思考,最后对数值分析在岩土工程分析中的地位作了分析。分析表明,岩土工程数值分析结果是岩土工程师在岩土工程分析过程中进行综合判断的重要依据之一;采用连续介质力学模型求解岩土工程问题的关键是如何建立岩土的工程实用本构方程;建立多个工程实用本构方程结合积累大量工程经验才能促使数值方法在岩土工程中由用于定性分析转变到定量分析。     

一种盐岩相似材料的试验研究

目前国内外学者主要利用小尺寸盐岩试件进行盐岩造腔理论以及溶腔稳定性方面的研究,所以利用相似材料制备大尺寸型盐模拟盐岩造腔全过程,以及研究溶腔的稳定性是有必要的。利用盐屑在高压下制备成型盐,测试其溶解特性和力学特性。试验表明压制应力为40、60、80 MPa时制成的型盐,其溶解速率变化不大;在压制型盐与天然岩盐的倾角溶解试验中发现,倾角为0°、90°、180°时溶解速率分别是天然盐岩的2.15倍、1.84倍、1.77倍;型盐的单轴抗压强度同压制的应力成正比,压制应力为80 MPa时干燥型盐同天然盐岩强度相当;型盐吸水后强度有所降低,而天然盐岩吸水后强度没有明显变化。所以在适当压制力作用下,利用盐屑压制型盐代替盐岩用于造腔理论及造腔全过程试验和溶腔稳定性试验研究是可行的。     

岩石破坏的机理再认识

岩石的各种强度准则一直是解释岩石或岩体破坏机理的主要理论。此外,从流变现象出发,通过数值模拟、实验对照、理论分析、进一步对岩石破坏机理的解释进行了探讨,认为受力岩石或岩体内差异流动变形也是导致岩石破坏的原因。     

基于统一强度理论分析不连续面对岩体强度的影响

基于统一强度理论,对含有结构面的岩体,在平面形式下引入材料统一强度参数ct,φt,推导了含单个节理裂隙岩体材料的统一强度公式,即考虑中间主应力的岩体破坏强度公式,并分析了其有效范围。运用硅藻质软岩和石膏的三轴试验结果,验证了所建立的公式的正确性,并分析了具有不连续面岩体的强度随中间主剪应力作用系数b的变化。结果表明,岩体强度随b值的增大而增大。根据岩土材料统一强度参数的确定方法,计算并分析了b值对强度参数的影响,从而说明强度参数随着b值的变化而变化。     

一种适合于岩石材料的双剪模型

岩土类材料强度理论分为单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论。三类强度理论的典型代表是Mohr -Coulomb强度理论、Drucker-Prager准则和双剪强度理论。单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论都有其相应的单元模型 ,分析单元体上对单元体破坏起主要作用的应力 ,建立各应力分量之间的数学关系 ,形成岩土类材料的强度理论。本文分析岩石围压试验和真三轴试验下的破坏及强度特征 ,提出一种适合于岩石材料的双剪模型 ,与三类强度理论建模方法相同 ,可以得出一系列新的强度理论     

红砂岩长期强度特性的试验研究

岩石的流变特性是岩石的重要力学特性之一,其中岩石的长期强度是绝大多数岩土工程所必须引起重视的力学特性,然而就目前研究现状而言,与蠕变特性相比较是极不对称的。由岩石蠕变试验确定岩石的长期强度是现有最常用的方法,具有重要的现实意义。通过对完整红砂岩在CSS－2950岩石双轴流变试验机上进行的单轴压缩蠕变试验,利用过渡蠕变法、等时曲线法探讨了这些方法确定岩石长期强度在理论上的正确性和试验方法的可操作性,同时,将蠕变曲线与应力-应变曲线结合,提出了确定岩石长期强度的新方法,预测了岩石在荷载作用下可能破坏的时间。分析结果表明,将蠕变曲线与应力-应变曲线结合确定岩石长期强度对岩土工程设计具有重要的指导意义     

基于多尺度直剪试验的岩石模型结构面抗剪强度特征研究

开展岩石模型结构面抗剪强度特征的多尺度（尤其大尺寸）直剪试验研究对于理解岩石结构面力学特性具有重要的理论价值和实践意义。首先,基于多尺度直剪试验仪(MSJ-DST),对20 cm×20 cm、40 cm×40 cm、60 cm×60 cm、80 cm×80 cm和100 cm×100 cm的岩石模型结构面试样采用法向应力分别为200～1 000 kPa进行直接剪切试验;然后,研究不同尺寸岩石模型结构面抗剪强度的特征。结果表明：不同法向荷载作用下模型的受力变形特点相近,峰值剪切位移总体上随着某一数值附近上下浮动;在同一法向应力作用下,不同尺寸结构面试样的峰值抗剪强度表现出在某一数值附近上下浮动的特征,残余抗剪强度则表现出随尺寸的增加有小幅度增加;5级法向应力作用下,不同尺寸的峰值抗剪强度和残余抗剪强度随着法向应力的变化规律均近似相同,抗剪强度残余值与峰值的比值随着法向应力的增大逐渐增大并趋于稳定。     

岩石抗剪强度参数的理论概率分布形态研究

岩石抗剪强度参数的概率分布形态是岩石工程可靠度分析和设计的基础。在考虑完整岩石压缩强度为服从正态分布随机变量的条件下,针对Mohr-Coulomb和Drucker-Prager屈服准则的线性系数形式,基于随机变量函数分布理论推导出岩石抗剪强度参数内摩擦角 和黏聚力 的概率密度函数。 和 概率密度函数显示：不仅岩石压缩强度和抗剪强度参数概率分布具有非一致性,而且根据不同屈服准则计算得出的岩石抗剪强度参数概率分布也具有非一致性。在进一步分析屈服准则系数具有不同变异系数和相关系数时的抗剪强度参数概率密度函数特征的基础上,提出根据概率分布的偏度和峰度确定一般情况下抗剪强度参数概率分布形态的方法,从理论上解决岩石压缩强度与抗剪强度参数分布的协调性问题。最后,对大理岩常规三轴压缩试验得出的抗剪强度参数进行大样本统计分析,验证了其概率密度函数理论推导的正确性以及概率分布形态确定方法的合理性。该研究为实际岩石强度概率分析时选择抗剪强度参数合理概率分布形式提供了理论指导。     

差异风化型危岩力学模型及破坏机制研究

差异风化型危岩多形成于由砂岩和泥岩等软、硬岩性组成的互层陡倾岩质边坡中,其崩塌破坏属地质灾害中的常见形态。以普洱渡危岩高边坡为例,推导出差异风化型危岩岩腔后壁泥岩压应力随岩腔深度增加而增大的计算公式。据普洱渡危岩高边坡地形地貌和地质构造特征建立了两类4种差异风化型危岩力学模型：第1类为主控结构面贯通率等于1时的泥岩基座压裂破坏型和转动破坏型危岩;第2类为主控结构面贯通率小于1时的坠落型和倾倒型危岩。利用岩石强度理论推导出研究区砂岩的二次抛物线型摩尔强度包络方程,以极限平衡理论和摩尔强度理论推导了4种危岩体在自重、地震力和裂隙水压力共同作用下的崩塌破坏判别表达式,并由此反演出危岩体的临界崩塌边界方程,得出危岩体崩塌边界（岩腔深度、危岩体厚度和高度、主控裂隙深度）之间的关系,为现场预测和判别危岩体的稳定性和崩落时序提供简便可靠的依据。     

应力损伤盐岩的声波、溶解试验研究

采用声波技术研究盐岩在单轴载荷条件下的损伤特征,并对受损盐岩进行溶解试验分析,以此来分析盐穴建造期盐岩的损伤溶蚀机制。试验发现：随着轴向应力的增加,侧向波速逐渐较小,在达到极限强度后波速快速减小,而不像轴向波速那样在弹性压密阶段会出现小幅增加之后才开始减小;盐岩所受压力越大,对应的溶解速度越快。由岩石单轴强度理论和损伤理论分析表明,盐岩应力损伤由盐岩晶粒相互错动促使微裂纹增多所致,侧向波速确定的损伤变量与应力具有相关性,盐岩的溶解速率随损伤变量的增加而增加。     

不同节理表面形貌下非贯通节理岩体强度特性直剪试验研究

通过直剪模型试验,研究节理表面形貌下非贯通节理岩体扩展贯通强度特性。非贯通节理岩体的扩展贯通过程分为4个阶段：初裂前阶段、稳定扩展阶段、非稳定扩展阶段和摩擦阶段。结合试验现象和切向变形曲线,研究了非贯通节理岩体的初裂强度、临界强度、贯通破坏强度、残余强度等特性。在相同的法向应力下,节理表面越粗糙,不仅非贯通节理岩体的贯通破坏强度越大,而且初裂强度、临界强度、残余强度也越大。在不同的节理表面形貌下,初裂强度与贯通破坏强度的比值约为70%;临界强度与贯通破坏强度的比值约为90%;不过,残余强度与贯通破坏强度的比值变化较大,约为50%～90%。试验为进一步研究非贯通节理岩体破坏理论提供试验验证。