隧道锚围岩抗拔机制及抗拔力计算模式初步研究

在普立特大桥隧道锚现场模型试验的基础上,采用数值模拟技术揭示了隧道锚围岩变形破坏过程:围岩破坏面从锚体底部与围岩接触面附近启裂,并逐渐向外呈圆台状扩散,破坏形式为拉剪破坏。并且,锚体前部临空岩体被拱出而发生拉破坏。破坏面上的应力分布随着拉拔荷载增大而发生复杂变化。基于此,通过在破坏面上建立力的平衡关系,提出了隧道锚围岩抗拔力计算模式。该计算模式与现有文献不同,体现了夹持效应以及破坏面上的复杂应力变化。破坏面上的应力分布需要通过模型试验和数值模拟论证得到。今后,在针对不同强度、不同结构特征的岩体进行全面试验分析的基础上,可以对破坏面形态和应力大小进行取值建议。采用该模式验证了试验结果,估算得到大桥原型锚碇的极限抗拔力非常大。目前隧道锚设计普遍偏于保守,隧道锚在中、软岩中仍然可以使用。讨论了破坏面形态特征可能的变化、岩体结构特征对抗拔力的影响等问题。     

一种模拟堆石料颗粒破碎的离散元-比例边界有限元结合法

试验研究和数值模拟都表明,颗粒破碎对颗粒岩土材料的宏观力学响应具有重要的影响。结合离散元与比例边界有限元法,提出一种用于研究堆石料颗粒破碎行为的新的数值计算方法,可以将两种方法各自的优势同时发挥出来。离散单元法将被用于求解颗粒的运动以及相互作用。在每一个时间步尾,采用比例边界有限单元法计算颗粒内部的应力分布。比例边界有限单元法可以仅用一个任意边数的多边形来描述一个颗粒,大大节约应力计算的成本。当应力状态确定之后,Hoek-Brown准则将被引入用于确定颗粒内部的破坏点,当破坏点达到一定的比例时,即视为这个颗粒将破坏。为简化起见,假设破坏路径为直线,如果破坏发生,则该颗粒一分为二,各个新的颗粒将直接参与离散元和比例边界有限元的计算。该方法无需预定义任何子颗粒或网格重划分。最后以一个简单的双轴试验的模拟展现方法的可行性。     

铁路有砟道床振动和变形的离散元模拟与试验验证

运用三维激光扫描仪获取碎石道砟颗粒的几何形态,构建了不规则形状的簇颗粒模型,在此基础上建立了有砟道床三维离散元模型,用于道床细宏观力学行为的离散元模拟分析。同时,为了验证离散元模拟结果的可靠性,开展了高速铁路有砟轨道1:1实尺模型试验,获得了静态加、卸载和循环简谐荷载作用下道床的变形以及不同深度处道砟的振动响应。对比分析表明,离散元模拟和试验获得的道砟振动加速度幅值接近,随深度的衰减规律一致;等效静态加、卸载条件下道砟的垂向变形以及循环荷载作用下道砟的累积变形均能够与试验结果吻合,说明建立的三维道床离散元模型是合理的,能够较为准确地模拟有砟道床的振动响应和累积变形行为,可用于高速铁路有砟道床的细、宏观劣化机制研究。     

红黏土地层静压闭口管桩残余应力模型试验分析

在典型的上硬、下软红黏土地层中静压管桩滞留的残余应力对基桩承载特性有较大影响。通过自行设计模型试验设备进行红黏土地层单、群桩静压闭口管桩室内试验,分析3种桩径下静压单、群桩残余应力的变化规律及时间效应。结果表明,静压管桩桩身残余应力沿桩身从上到下先增大后变小,呈折线型分布;对于典型的红黏土上硬、下软地层,桩端持力层位于硬塑层和可塑层时,桩身和桩端残余应力均较小;当管桩压入到基岩持力层后桩端受约束增强,桩身和桩端残余应力明显增大;静压单桩完成后静置初期桩身残余应力时间效应比较明显,减小幅度较大,复压后而后随着休止时间的延长,桩身残余应力呈指数型衰减至一较低稳定值;静载试验时忽略残余应力就将认为整个桩身所受压力偏小,偏大计算中性面以上侧摩阻力7.97%,偏小计算中性面以下侧摩阻力8.33%和桩端阻力2.29%。     

水泥改良泥质板岩粗粒土的静动力特性试验

为综合评价水泥改良泥质板岩粗粒土的力学性质改良效果,利用大型静动三轴仪对改良土和未改良土开展不排水条件下的循环动力加载和单调加载试验。研究该改良土的循环动力特性和中低应变率单调加载下的静、动力学特性。研究表明,对于循环动力加载试验,围压和加载频率均是影响改良土动弹性模量和阻尼比的重要因素;循环动应力强度和破坏振次的对数近似呈线性递减关系;随着应变率增加,水泥改良泥质板岩土的静动应力强度之比显著增加。相对未改良土,改良土的刚度显著提高,而黏滞性减弱;改良土动应力强度的应变率效应显著增大;改良土的静力强度有了显著提高。改良土的内摩擦角和未改良土的相差不大,而它的黏聚力较未改良土有了很大的增加。水泥改良,泥质板岩粗粒土后的静、动力学性质得到提高,改良效果良好。     

全风化花岗岩突水通道扩展的颗粒起动流速研究

突水突泥是富水全强风化花岗岩隧道施工常见的地质灾害,地层颗粒的流失是导致突水通道扩展的关键因素,其中颗粒达到起动流速是其流失的临界条件。考虑水流冲刷和土体黏结作用,对突水通道断面颗粒进行三维受力分析,导出颗粒的临界起动条件,建立了考虑颗粒粒径、颗粒坡面位置、相对暴露度三因素的颗粒起动流速函数,并利用数值方法分析了上述三因素对起动流速的影响规律。计算分析表明:起动流速随粒径增大先减小后增大,通道断面不同坡面位置颗粒起动流速呈明显的对称性,总体上起动流速随相对暴露度的增大呈增大趋势。采用正交试验法研究了三因素对颗粒起动流速的敏感性,发现粒径对起动流速影响最为显著。同时根据断面颗粒起动最小流速标准及相对暴露度的随机性,简化颗粒坡面位置和相对暴露度两因素,导出颗粒起动流速的简化公式,最后利用室内试验和工程实例验证了该公式的合理性。     

岩体温度应力效应及差异性风化对赤水丹霞的破坏作用

赤水市丹霞地貌作为世界自然遗产地及国家地质公园,拥有着全国面积最大和最具典型代表的丹霞地貌资源。研究发现作为赤水市典型景观的丹霞地貌,一直因风化剥蚀和重力崩塌作用而发生不同程度的破坏。本文从岩体温度应力效应和差异性风化两方面进行定量定性分析赤水丹霞地貌受损机制,经计算,温度应力效应导致赤水嘉定群砂岩岩体产生的剥落主要发生在岩体立面0.12 m范围内;差异风化形成倒岩腔,会发生倾倒破坏景观。     

使用BOTDR技术进行隧道监测的光纤护套效应

基于BOTDR的布里渊应变监测技术已在岩土工程领域得到了初步的应用,但一系列的试验及工程应用表明,不同类型的光缆得到的测试结果呈现较大的差别性,原因就是光纤护套效应。以BOTDR的光纤应变监测技术为基础,并通过精准定位(温度刺激)、应变测量范围(漂移量)及温度测量等一系列试验,对新型应变光缆、套装光缆以及铠装光缆的工程性能进行了对比试验研究,得到了光纤护套效应对巷道监测结果的影响,甄别了适用于不同工程应用的光缆类型,并保证监测结果与实际变形及温差变化的一致性。这些研究工作初步解决了使用BOTDR技术进行巷道应变监测的光缆选型的问题,为基于BOTDR的应变监测技术的工程应用提供了理论基础。     

滨海咸水储层微纳米颗粒形貌特征对其运移行为的影响

通过一维水平砂柱试验,结合多孔介质传质理论,从孔隙尺度探索含水层中微纳米颗粒形貌特征与其释放、运移、沉积过程的内在关联,揭示颗粒重组的力学诱导机制。研究结果表明,在渗流溶液水动力作用与物化性质相同,并且含水介质机械组成相近的条件下,球形硅微粉释放率最高,试验过程中累计释放颗粒质量达93.74 mg;咸水层原砂释放率最低,仅为0.62%。依据试验结果,利用双沉积位动力学模型进行反演,计算得到咸水层原砂在受运移距离控制点位沉积系数最大,高于人工制备砂样2个量级。结合电镜扫描与颗粒表面ζ电位测试结果,基于颗粒受力平衡分析,渗流剪切应力与颗粒法向截面面积成正比;同时伴随微纳米颗粒形貌、构成的变化,扩散双电层排斥力存在显著差异。因此,球状硅微粉颗粒通常以单体形式脱离多孔介质表面;片状次生黏土矿物颗粒多以大体积粒团形式释放,出现再次沉积或被孔喉捕获的机率提高。     

盾构地中对接冻结加固模型试验(Ⅱ)——冻结过程中地层的冻胀效应研究

盾构地中对接冻结加固过程中形成不规则形状的冻结体,产生的冻胀效应会引起上部地层产生不均匀冻胀变形。为了获得冻结过程中冻胀效应对上部地层变形的影响规律,以上海地区软土地层中盾构地中对接冻结工程为原型,按照相似理论,设计进行了盾构对接位置地层冻结加固的模型试验,获得了如下结论:冻结过程中,冻胀引起上部地层的变形量随着冻结壁厚度的增长而线性增大,当冻结壁发展超过测点位置后,相应位置的地层变形不再变化。冻结产生的冻胀力对上部地层有压缩作用,随着地层内测点埋深的增加,地层变形量和地层平均应变都逐渐增大。当冻胀力超过土层的黏聚力后,上部土层的滑动使地层平均应变不再增加,地层不再被压缩,下部地层的变形会直接传递到上部地层。研究结果表明,影响冻结加固体上部地层变形量的主要因素是冻结壁的厚度,次要因素是地层的埋深。