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。     

富水隧道幕墙堵水技术研究

富水隧道的涌水问题是目前隧道施工中要解决的首要问题,尤其是涌水量特别大、水流速度大的隧道。目前针对该问题多采用注浆加固圈的方法,以排为主,后注浆加固。这种方法对于涌水量不大、渗透率低的围岩可行,而对于水压力大、地下水丰富的隧道,其效果差、成本高。针对该问题,文章提出一种幕墙堵水技术。首先分析渗透力与浆液的黏滞系数之间的关系,通过计算得出多孔介质中注浆浆液在渗透力作用下的地下水临界流速,确定幕墙距离隧道的最佳间距为2m,并提出了24种不同尺寸的注浆方案。采用数值模拟方法,分别计算了24种注浆方案的堵水或限排效果。最后在所建的24个模型中得出注浆深度为30.6m,注浆长度为20m的方案为最佳堵水方案,并应用到工程中。结果显示该方案堵水效果明显,洞内积水降低80%,能保证隧道下一步施工。研究表明:通过临界流速分析方法能够经济、快速地确定堵水或限排方案,满足现场施工及注浆堵水限排的要求,研究成果可为类似工程设计提供理论依据。     

复杂地质条件下偏压连拱隧道中隔墙变形与受力特征

中隔墙是连拱隧道的重要构件,施工期间的受力及变形规律十分复杂,如何保护中隔墙免受偏压影响是连拱隧道施工中的重要课题。以富溪连拱隧道进口偏压段施工为背景,通过对施工过程的三维数值模拟,对偏压、软弱破碎围岩条件下中隔墙受力及变形规律进行了分析。结果表明,施工期间中隔墙会受到十分明显的偏压作用而朝浅埋侧摆动,地形偏压导致中隔墙中上部朝隧道浅埋侧变形,两侧隧道的错距开挖则会引起中隔墙左右小幅摆动;中隔墙晚接顶能有效改善中隔墙的受力状态,减小偏压影响。据此制定了有效防偏措施,实践证明效果良好。     

喀喇-昆仑山区引水发电洞高地温现象及成因探讨

地热资源作为一种可再生的清洁能源已经得到广泛的应用,然而往往由于地热资源的存在,对地下工程的设计与施工带来一些麻烦;国内外已有很多工程遇到了高地温问题,其中极具代表性的为地处喀喇-昆仑山区的布伦口-公格尔水电站引水发电洞和齐热哈塔尔水电站引水发电洞。本文介绍了两条引水发电洞施工过程中遇到的高地温现象,如洞壁岩体温度最高分别达到97℃和119℃,沿裂隙喷出蒸汽温度最高分别达到140℃和174℃;持续高温洞段长度分别为4km和3.5km,其中齐热哈塔尔水电站引水发电洞洞壁岩体温度超过90℃的洞段长度超过900m。论文从区域构造环境、地热资源赋存特征、不良的地下水循环条件以及导热体的存在等4个方面分析了该区域内地下工程高地温现象的成因;进一步提出了地热资源赋存区域地下工程勘察过程中应注意的问题。本文从国内外地下工程施工过程中遭遇的罕见高地温现象研究出发,认为活跃的区域构造环境与高的区域热流背景值是导致喀喇-昆仑山区地下工程施工过程中遭遇高地温现象的本质原因。     

横观各向同性层状地基动应力响应的求解与分析

动力响应问题的求解对于地基在外荷载作用下引起的弹性波动问题研究有重要的意义。本文提出了一种求解横观各向同性层状地基在施加时间简谐荷载作用下任意点的应力响应的算法。此算法利用傅里叶变换将广义平面应变问题频率-空间域的动力方程转化到频率-波数域内,结合对偶变量的引入,利用高精度的精细积分算法对状态方程进行求解,在得到频率-波数域内的位移响应的基础上,利用傅里叶逆变换得到任意点的动应力响应。简谐荷载不仅可以施加在地基表面,而且可以施加在地基内部。对比算例验证了本文算法的准确性,同时对地基各向异性特性、激励频率和阻尼比对动应力响应的影响进行了参数分析,为工程实际提供可靠的数值依据。     

基于粗糙集和理想点法的隧道围岩分类研究

理想点法是一种多目标决策分析法,其基本思路是通过构造多指标问题的理想解和反理想解,并以靠近理想解和远离反理想解的程度作为各评价对象的判断依据,基于此原理建立了隧道围岩分类的理想点法评价模型。理想点法各指标权重的取值是否合理对最终的评判结果有着很大的影响,采用粗糙集理论把权重问题转化为粗糙集中属性重要性评价问题,以此来确定各指标权重。该方法不需先知经验,求解过程完全由实际样本驱动,具有很强的可操作性。建立了基于粗糙集和理想点法的隧道围岩分类模型,并应用于实际工程,结果表明,该方法的分类结果与实际相符,基于粗糙集和理想点法为隧洞围岩分类提供了一种新思路     

Deformation of a poroelastic layer overlying an elastic half‐space due to dip‐slip faulting

An analytical solution of the plane strain problem of the deformation of a homogeneous, isotropic, poroelastic layer of uniform thickness overlying a homogeneous, isotropic, elastic half‐space due to two‐dimensional seismic sources buried in the elastic half‐space has been obtained. The integral expressions for the displacements, stresses and pore pressure have been obtained using the stress function approach by applying suitable boundary conditions at the free surface and the interface. The solution obtained is in the Laplace–Fourier transform domain. The case of a vertical dip‐slip line dislocation for the oceanic crust model of Earth is studied in detail. Schapery's formula is used for the Laplace inversion and the extended Simpson's formula for the Fourier inversion. Diffusion of pore pressure in the layer is studied numerically. Contour maps showing the pore pressure in the poroelastic layer have been plotted. The effect of the compressibility of the solid and fluid constituents on pore pressure has also been studied. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

爆破振动对双连拱隧道中墙的影响分析

在Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下,双连拱隧道常采用双侧全断面法施工。通过对双连拱隧道施工过程中的爆破振动进行三维数值模拟分析,研究了双连拱隧道后行洞爆破施工对中墙的振动影响。结果表明：双连拱隧道后行洞爆破对中墙有较大影响,需采用相应的保护措施,来减小爆破振动对中墙的扰动,而临时支护将会被破坏。     

巷道围岩状态的等效应力等效应变表述

在体积应变为零的条件下,根据巷道围岩属简单加载的特性得到围岩中同时关联三向应力 , , 和三向应变 , , 的,用等效应力 和等效应变 表示的对围岩加载-形变关系式。严格地论证了巷道围岩的弹性、硬化、软化和流动区的应力应变状态分别与围岩的等效应力-等效应变曲线各阶段的应力应变状态相对应。以等效应力、等效应变为中间变量可以简化围岩弹性分析,简捷地写出巷道围岩偏应力应变能的计算公式。等效剪应力 是围岩中的最大剪应力 ,等效剪应力单元受正应力和剪应力作用,但其上只有剪切应变,这突出了巷道围岩形变破坏是由于最大剪应力和偏应力应变能所致的实质。根据等效剪应力概念确定的滑移线,可适用于材料应变硬化和软化阶段,不要求刚塑性假定条件。     

Bayesian Estimation of Boundary Conditions with Application to Deep Tunneling

An iterative procedure is proposed to determine the far-field state of stress that exists in a rock mass with non-linear behavior around a tunnel. Absolute displacements of the tunnel wall obtained by means of geodetic measurements are used to identify the boundary stress conditions. Previous information is accounted for, so that boundary conditions can be updated at the various stages of a project, as soon as new information becomes available. The application to the 2-D plane strain synthetic model of a tunnel in a yielding rock mass shows the fast convergence of the procedure and the need to use absolute displacements (rather than relative displacements) in order for the identification problem to be well-posed.     

寒区隧道围岩变形机理分析初探

隧道围岩冻胀变形机理是寒区隧道工程常见的问题之一。首先评述了国内外现有关于寒区隧道冻胀机理的几种解释,然后对采自西部某寒区岩样进行饱水冻结,通过CT扫描技术观察了岩体内部细观结构变化、水分迁移,发现了围岩冻结后发生收缩的现象,从细观角度研究了岩体的冻胀和收缩机理,完善和补充了围岩冻胀机理假说。     

Characteristics of deformation of saturated soft clay under the load of Shanghai subway line No. 2

Shanghai subway Line No. 2 passes through the center of Shanghai from Songhong Road station in the west to Zhangjianggaoke station in the east. The total length of Shanghai subway Line No. 2 is 25 km. The tunnel mostly lies in the saturated soft clay and the environment issue can not be ignored. The response frequency and response stress of soil around the tunnel are monitored when the subway train passes through. The cyclic triaxial test of the saturated soft clay around the subway tunnel is conducted using the data monitored. The characteristics of deformation of the saturated soft clay of Shanghai under the subway load are analyzed. The results show that when the subway train Line No. 2 begins to run, a small and vertical rebound first occurs in the saturated soft clay at the side wall of the tunnel. Although a large deformation does not occur in the saturated soft clay at the side wall of the tunnel when the subway train has run for a period of time, yet with the lapse of time, a perceptive and non-uniform deformation will still occur. The vertical rebound is transitory and a plastic deformation occurs immediately in the saturated soft clay at the bottom of the tunnel, the large deformation at the bottom of the tunnel is 30 times that of the saturated soft clay at the side wall of the tunnel. An erratum to this article can be found at     

Application of the Fourier method to the numerical solution of moving boundary problem in heat conduction

An algorithm for the solution of a nonlinear problem of phase boundary movement and evolution of temperature distribution due to the perturbation in the basal heat flux has been discussed. The reduction of the problem to a system of nonlinear ordinary differential equations with the help of a Fourier series method leads to a stiff system. This stiffness is taken care of by the use of a modified Euler’s method. Various cases of basal heat flow variation have been considered to show the performance and stability of the technique for such a nonlinear system. The first case of step-wise function is taken to analyse the performance of the technique, and the study has been extended to other general cases of linear increase, periodic variation, and box and triangular function type variations in the heat flux. In the step-wise case the phase boundary attains a constant position rapidly if the supplied heat flux is sufficiently large. The effect of periodicity in the heat flow is clearly depicted in the phase boundary movement, where the phase boundary oscillates about the mean position at large times. The absence of any constant level in the case of linear increase in heat flux is due to a very large value of heat flux. In the cases of box car and triangular heat flux the boundary starts moving downward after the cessation of excess heat flux but does not immediately return to its original preperturbation state, instead approaches it at large times. This technique may be applied to more general cases of heat flow variation.     

统一弹塑性本构模型在FLAC3D中的计算格式

统一强度理论是一个有着坚实理论基础、可表达各种岩土材料强度特性且被广泛应用的新的强度理论。FLAC3D是一个具有强大的计算分析功能且专门针对岩土工程问题开发并被广泛应用的数值分析软件。若能将二者结合起来,无疑会大大促进岩土工程领域相关问题的解决。针对这一问题,研究了统一弹塑性本构模型在有限差分方法中应用的基本理论格式。根据FLAC3D软件中UDM接口计算格式的要求,将统一强度理论引入其中,详细推导了统一弹塑性本构模型在FLAC3D软件中应用的计算公式。由于统一屈服面在应力空间内由12个面组成,在应力角为[0,π/3]的范围内,统一屈服面由两个相交面组成,为计算塑性因子及处理计算中应力超出屈服面的应力调整问题,利用应力角分析了应力空间的分区,推导了区域分界面的公式。最后,编制了相应的UDM接口程序对一圆形隧洞进行了弹塑性分析,对比了计算结果与解析解,结果很好地验证了此计算格式及相应接口程序的正确性。统一强度理论和FLAC3D软件的结合,将使二者的优点得以充分发挥,以解决更多的岩土工程问题。     

新建隧道近距离上穿对既有地铁隧道纵向变形影响分析

新建隧道近距离上穿施工会改变地层既有平衡应力场,引起地层应力释放,导致既有下卧隧道产生纵向隆起变形。提出了在新建隧道卸荷作用下估算既有隧道纵向变形的解析解答,既有隧道简化为搁置于Pasternak地基上的Euler-Bernoulli 梁,采用两阶段分析法分析求解。首先,通过Mindlin弹性力学经典解估算新建隧道开挖卸荷引起在既有隧道位置处的竖向附加分布荷载;其次,建立在竖向附加荷载作用下的隧道纵向变形平衡微分方程,并基于有限差分原理,获得隧道变形数值解答。经与已报道的两个工程实测结果对比发现,理论计算结果与实测数据较为吻合,基本可以反映在新建隧道近距离上穿施工过程中既有隧道的纵向变形规律,从而验证其解析解答正确性。     

高原冻土隧道支护技术及工艺试验研究

昆仑山隧道是青藏铁路550 km连续多年冻土区最长的高原冻土隧道。在高寒缺氧、低气压地区修建铁路隧道所遇到的是全新的技术难题。室内和现场试验及施工结果表明：在多年冻土隧道施工中采用湿喷混凝土支护,使混凝土与冻土围岩黏结牢固,并能保证支护混凝土的质量,证明湿喷混凝土支护在高原多年冻土区隧道施工中是可行的。     

考虑围岩蠕变全过程与扩容的深埋隧洞非线性位移解

深埋隧洞围岩变形是一个复杂的非线性力学问题,其中岩石的蠕变全过程和扩容是两个重要的影响因素。引入扩容角考虑塑性体积变化的影响,推导Hoek-Brown屈服准则下考虑与不考虑洞周面力的深埋隧洞围岩非线性应力解。借助可描述蠕变全过程行为的河海模型,获得了围岩黏弹塑性区蠕变位移表达式。针对不同NVPB蠕变参数和不同材料参数m值情况,讨论分析了洞周面力与扩容角对隧洞洞壁蠕变位移的影响规律。结果表明：在高地应力作用下,采用非线性蠕变模型描述深埋隧洞围岩蠕变问题可获得蠕变全过程曲线;扩容角增大或洞周面力和材料参数m值减小时,相同时刻隧洞洞壁蠕变位移增大,对围岩长期稳定不利。研究结论对深埋隧洞围岩临崩预报具有一定指导意义。     

活动性断裂带错动下隧道纵向响应的解析解

震害调研表明，活动性断裂带区域的隧道灾害最为严重。针对错动作用下穿越活动性断裂带隧道的纵向响应进行了研究，推导了隧道纵向力学响应的解析解并进行了验证。考虑断裂破碎带围岩力学性质较差且处于错动变形的主要影响区，将隧道沿纵向进行分区，包括错动影响区、过渡影响区和非影响区。采用Pasternak双参数弹性地基梁，假定不同分区的地基参数和计算模式不同，建立了满足变形和内力连续的隧道纵向力学解析模型并进行了求解。解析计算结果与数值模拟结果、室内试验数据基本一致，验证了解析解的正确性。结果表明：错动作用下，活动性断裂带区域的隧道内力和变形发生了显著变化；隧道纵向挠曲变形与错动方向一致，但在断裂带与上下盘交界区域发生了反向的挠曲；在正断层错动下，纵向弯矩在断裂带与上下盘交界区域达到最大值，且上、下盘区域的隧道拱顶分别出现受拉和受压区域；断裂带区域内的剪力远大于其他区域，且受到较大弯矩，隧道结构易发生破坏。上述计算结果与实际调研结果相一致，表明了提出的解析计算方法可用于活动性断裂带错动下的隧道纵向响应分析。最后，针对地基系数和断裂带宽度两个关键参数进行了敏感性分析，得到了有益规律，可为该类区域的隧道设计和施工提供技术支撑。     

变荷载作用下碎石桩复合地基固结简化分析

用碎石桩对软弱土进行地基处理是一种常用的地基处理方法,桩间土的固结问题是碎石桩复合地基中非常关注的问题,该问题在不同假设条件下的研究也取得了大量成果。在考虑桩土模量比（即应力状态稳定时的桩土应力比）及碎石桩面积置换率影响的前提下,基于等应变假设,将任意变荷载转化为傅里叶级数,从而推导出了变荷载作用下碎石桩桩间土固结解析解,给出了任意时刻桩土承担的应力变化关系,对现有理论进行了合理的修正。通过算例与现有理论对比分析表明,本算法合理可行,当碎石桩面积置换率及桩土模量比比较大时应该考虑其对固结的影响。此外,根据上述理论对Carrillo假设进行了分析,证明竖向和径向固结分别独立考虑的假设并不精确,但得出的总体规律与实际较为接近。     

考虑古城墙保护的连拱隧道施工方案优化

古迹保护已成为目前工程界十分关注的问题。文章以徽杭高速公路昱岭关隧道为工程背景,先通过数值模拟对古城墙处隧道的拱顶围岩加固影响和施工方案优化进行分析,主要模拟了不同施工顺序对中隔墙受力的影响以及拱顶围岩加固对控制地表不均匀沉降的作用;然后探讨了古城墙下隧道爆破方案的设计。通过现场的隧道监控量测数据表明,优化的隧道开挖方案和爆破设计有效的控制了古城墙处地表下沉,保证了古城墙的完整性。