正融冰川碎屑冰冻体剪切强度劣化机制研究

受到气候变暖的影响,青藏高原冰川剪切滑动带中的碎屑冰冻体存在融化风险,这严重影响了冰川的抗剪强度和稳定性。为了研究融化过程对碎屑冰冻体剪切力学特性的影响,引入融冰率定量评估融化程度,对正融碎屑冰冻体试样开展了室内直剪试验。基于试验结果提出了正融碎屑冰冻体的有限-离散元数值模型并进行了对比验证,研究了融冰率和碎石含量对碎屑冰冻体剪切力学行为的影响规律。结果表明:融化过程显著降低了峰值剪切强度、黏聚力和内摩擦角;强度参数与融冰率的关系可用线性准则表达;正碎屑冰冻体剪切强度急剧劣化的主因是孔隙冰融化导致的冻土-孔隙冰界面黏聚力降低;当融冰率从2%增加到4%,试样变形模式由应变软化过渡为应变硬化,破坏模式由粗糙的“锯齿状”过渡为平滑的“圆弧状”;随着碎石含量增加,碎屑冰冻体剪切强度明显降低,降低幅度随融冰率的增加而减小。该研究可作为冰川稳定性评价的有益补充。

基于冻结器温升公式的单排管温度场求解方法

为了解决传统地铁联络通道冻结法施工中对于全加固区域温度场求解精度不足的问题,实现以冻结器自身温度信号进行所形成温度场求解,达到对冻结温度场全域进行精准求解的目的。从单根冻结管停冻后冷媒温度回升速率与冻结壁厚度的相互关系出发,建立更加符合地铁联络通道冻结工程特点的单排冻结孔温度场计算模型,提出了5个关键参数:冷媒温升速率V、冻结壁厚度计算系数ηA和ηB以及冻结壁厚度修订系数n1和n2的确定方法。并指出冷媒温升速率宜采用停冻后4 h的冷媒温度平均回升速率,冻结壁计算系数和厚度修订系数应采用数值计算或经验数据进行确定。进而提出了新温度场求解方法的适用范围、求解流程。后续利用北京某联络通道冻结工程开展新温度场求解方法的可靠性验证。通过将该联络通道侧墙区域温度场的求解结果和实测地层数据进行对比可知,新的温度场求解方法所得温度与测温孔实测温度差值分别为0.43℃和0.52℃,远低于控制指标1.0℃。同时,新求解方法所得冻结壁厚度与开挖后实测冻结壁厚度误差为8~10 cm,误差精度约为6%,符合工程精度要求。此外基于计算结果和现场分析,指出了计算误差主要是由于地层热物理参数测试精度不足、钻孔偏斜以及冻结管自身结构简化三方面造成的。同时根据既有研究成果,给出了我国多个城市(如上海、常州、苏州)典型地层的冻结壁厚度计算系数。本研究为新型温度场计算方法的落地实施和开展基于冻结器自身温度数据进行全域温度场求解提供了理论支撑,同时避免了传统“以点带面”式求解方法带来的非测温孔区域温度误差。

注浆-钢衬联合堵水立井围岩非达西渗流场与有效应力场分析

高水压条件下采矿深立井围岩的饱和渗流一般处于非达西渗流状态,以此状态下深立井注浆防水与钢衬联合支护方案为研究对象,基于Izbash非达西渗流模型、厚壁圆筒理论以及连续介质弹性力学理论,借助计算机符号运算软件,对注浆-钢衬支护作用下的井周位移场和应力场完成解析求解,通过有限元软件ABAQUS将解析解和数值解进行了对比,两者结果基本一致;基于所得解析解进一步研究了非达西渗流系数变化和注浆-钢衬联合支护参数变化对支护效果的影响;提出了以控制涌水量来对注浆-钢衬联合支护优化设计方法并进行了算例计算。研究结果表明:非达西渗流系数越大,钢材井壁处环向应力随着钢衬厚度、注浆半径增大而减小的幅度也越大,增大非达西渗流系数对与提升注浆-钢衬联合支护的支护效果具有积极作用。

渗流条件下隧道锚注复合围岩体的解析方法

锚注法是富水隧道工程中常见的地层加固和止水工法,目前仍缺乏可以同时考虑锚杆−围岩力学相互作用和注浆防水抗渗作用的解析理论。以径向锚注复合围岩体为研究对象,基于达西定律和应力均布法将注浆加固后围岩内的孔隙水压力以及锚杆对围岩的相互作用力代入被加固围岩的应力平衡方程,构建出锚注复合围岩体微分方程,求解出复合围岩体及原岩的渗流场、位移场、有效应力场及锚杆轴向应力场的解析解并进行有限元验证和对比。对比结果表明:解析结果与有限解结果一致;与仅注浆的工况相比,锚注加固可改善围岩的应力状态。然后,基于所得解析解,揭示并讨论了锚注加固参数、支护力、二衬抗渗压力等参数和条件对隧道锚注复合围岩体安全系数的影响规律。规律指出:锚注范围、锚杆密度因子及支护力的增加使安全系数分别以先快后慢、准线性及先慢后快的趋势提高;二衬抗渗压力的增加虽然可减小涌水量,但不利于隧道的稳定。最后,基于所提出的解析解给出了锚杆的参数优化设计方法并给出算例。上述研究成果可为渗流隧道的锚注加固设计提供解析理论参考。

深厚含水围岩预锚注初期支护的圆洞力学模型及其开挖安全分析

为解决深部地下工程面临的高水压支护设计和施工方面的理论难题,提出基于预锚注初期支护的高水压圆洞力学模型。首先,将岩土力学“流固耦合”原理应用于预锚注支护下开挖卸载力学模型的解析,获得应力场、位移场、渗流场的解析求解表达式,并通过有限元数值解对解析解的正确性进行验证;其次,图形化展示径筋支护参数对初期支护区围岩的应力场的影响规律;最后,基于最大有效剪应力求解和Hoek-Brown岩体破坏准则,诠释采用预锚注支护来确保洞体安全开挖的原理,揭示径筋参数、洞口直径对开挖卸载安全的影响规律。结果表明:1)解析解与数值解的规律基本一致;2)预锚注初期支护可从2方面提高开挖后围岩的安全性,一是通过增大围岩径向应力以降低洞边固体有效剪应力,二是通过提高岩体完整性使得围岩屈服面外扩增大;3)径筋参数对承载安全的影响程度由大至小依次为径筋直径、径筋数量、径筋长度;4)径筋锚注支护作用获得的安全系数随着洞径的增大而逐渐降低。

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著,为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响,开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验,探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的黏聚单元建立了数值模型,采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明:层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性;同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大,且试样的层理面与加载方向夹角越小,断裂韧度受层理面强度变化影响越明显;试样的断裂模式不仅与层理面强度有关,还受层理倾角的控制,层理面与加载方向夹角θ=0o试样断裂模式基本不受层理面强度影响,θ=30o试样主要沿层理面张拉或剪切破坏,且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大;层理面强度较大时,θ=45o试样主要沿层理面张拉破坏,θ=60o^90o试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主;层理面强度较小时,θ=45o^90o试样均以沿层理面的剪切破坏为主,其中θ=45o试样沿层理剪切长度最大。另外,通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。

基于黏聚力裂缝模型的反倾层状岩质边坡倾倒破坏模拟

反倾层状岩质边坡的倾倒破坏是一种常见的地质灾害。为探究开挖条件下反倾层状岩质边坡的倾倒破坏机制以及层间剪切强度、岩层厚度因素对破坏特征的影响,利用ABAQUS有限元软件,建立黏聚力裂缝模型(Cohesive Crack Model,CCM),基于连续-离散方法,经参数标定和对比,建立反倾层状岩质边坡CCM,采用开挖并增重的方式诱发边坡倾倒破坏。数值模拟结果与古水水电站坝前倾倒变形体离心模型试验结果基本一致,验证了CCM的正确性。进一步,基于以上参数及模型,研究了反倾层状岩质边坡的破坏演化过程和应力分布特征,并探讨层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征的影响。结果表明:坡体前缘首先发生局部折断,后缘出现明显拉裂缝,反倾岩层由下往上依次折断直至倾倒体中部(一级破裂面)。随后,坡体前缘的表层岩层被挤出,形成二级破裂面,最后一级破裂面扩展至坡体后缘,形成连通宏观的破裂面。最后,二级破裂面扩展至坡体中部,边坡完全倾倒破坏;破裂面基本沿层间法向应力峰值位置连线发育;层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征具有显著的影响,随着层间剪切强度的增大,岩层初始折断位置逐渐降低,垮塌范围逐渐减小,破裂面倾角增大;坡体层厚越大,一级破裂面分布越深,垮塌区范围越大,坡体滑动的整体性越强。研究成果可为反倾层状岩质边坡倾倒破坏的分析和监测提供有效计算方法及依据,为此类滑坡灾害的防治提供一定参考。

承压水上煤层底板破坏特征研究——以山西义棠煤矿为例

为探究工作面推进过程中不同水压对煤层底板应力变形与破坏特征的影响,以山西义棠煤业10号煤层为背景,基于流-固耦合理论,根据实际地质条件借助ABAQUS商业有限元软件建立有限元模型。从煤层底板变形量、最大拉应力空间分布以及煤层底板塑性变形区3个角度进行分析。结果表明:当工作面推进至一定距离后,底板变形随着水压的升高而增大;不同水压下煤层最大拉应力、底板塑性区具有一定的相似性,都呈“近似勺形”分布;最大拉应力沿工作面走向先减小后增大,且随水压的提升向煤层底板更深处延伸;实测数据显示:义棠煤业10号井工作面底板最大破坏深度为14.64 m,与模拟结果相差不大。研究结果有望对承压水上煤层底板变形破坏机理进行一定程度的补充。

相变潜热的冻胀过程离散元数值模拟及其工程应用——以郑州二七广场地铁隧道始发端加固人工冻结工程为例

为深入探究相变潜热及冻胀作用下粉质黏土地基的温度和变形特征,采用离散元软件MatDEM以郑州二七广场地铁站的人工冻结工程为背景进行冻胀模拟,并在模拟过程中加入相变潜热模型,提取温度与位移结果并与现场实测数据进行对比。结果表明:1)模拟结果与实测结果基本吻合,加入相变潜热后能够更加合理有效地模拟粉质黏土地层的冻胀作用;2)土体竖向位移云图在冻胀过程中会呈放射状扩散,且位移量的增长速率会呈现先增大后减小的现象。

立井植筋井壁结构力学性能的数值模型试验研究

随着金属矿山立井井筒凿井深度不断增加,对于井壁的设计理论的研究日趋重要。本研究从深立井井壁设计理论存在的局限性和未来发展趋势出发,提出了开发“植筋井壁”技术、发展“加固类井壁”和丰富“广义井壁”概念的意义与必要性;确立了植筋井壁设计的力学模型,并提出了植筋井壁等效剪切模量的分析方法,从而完善了“包神”设计公式对于广义井壁的适用条件。采用数值模型方法,开展了三因素四水平的正交试验,分析了植筋直径、植筋数量和植筋长度三因素对植筋井壁等效刚度的影响规律,获得了相应经验表达式,为植筋井壁的设计和应用提供了理论基础。此外还研究了植筋下倾角对植筋井壁整体等效刚度的影响,得出下倾角度越大对井壁刚度的提高越不利的结论,说明了植筋钻孔保持水平对井壁刚度的重要性。本研究数值模型试验成果为深井“植筋井壁”技术开发和进一步应用奠定了基础。

山岭隧道洞口段工程地质灾害风险评价的数学模型及应用

通过收集和整理山岭隧道口塌方以及滑坡灾害资料,提炼出十大致灾因素,并将其归纳为隧道口洞内塌方和仰坡失稳两大方面。提出山岭隧道口致灾因素等级划分表,建立基于定性到定量的灾害因素隶属度计算数学模型,阐述灾害因素层次模糊综合分析评价的数学原理,全面构建出可以应用于山岭隧道洞口的工程地质灾害模糊综合评价数学模型。以紫石隧道以及港沟隧道洞口段工程实践为案例,详述模型使用方法,对该项目的工程地质风险进行评价,为隧道工作者加强山岭隧道洞口段施工的安全控制提供了理论工具和方法。

深埋隧道注浆加固围岩非达西渗流场及应力场解析

深埋高水压地质环境下,隧道围岩内部往往伴随出现非达西高速渗流现象,且新奥法理念下的注浆加固围岩是隧道支护体系的重要部分,这2个因素对围岩内部渗流场及应力场的影响不可忽视。为此,建立含有注浆加固围岩的两场耦合解析模型,基于有效应力原理严格推导隧道围岩非达西渗流场及有效应力场解析解,通过与达西渗流的对比说明非达西渗流特征并验证解析解的有效性;根据解析理论对非达西渗流效应及注浆加固对围岩有效应力场的影响规律进行分析。研究结果表明:非达西渗流效应的主要影响范围为隧道开挖半径至3倍注浆半径内围岩,注浆加固范围内围岩有效应力相比达西渗流偏大,尤其是环向有效应力;注浆加固前后围岩力学和渗透性质发生改变,使得环向有效应力在加固边界处突变,指向隧道方向大幅增加,注浆范围内围岩有效应力随着加固后弹性模量的增大而升高,随着加固后渗透系数的减小而有所下降;针对需要严格控制排水量的隧道,注浆设计时建议优先降低注浆范围内围岩渗透系数,其次再适当加大注浆范围。研究结果可为深埋高水压隧道注浆加固设计提供理论依据。

考虑温度影响的竖井井筒运行期应力状态分析

为了研究竖井井筒运行期温度及围岩性质随时间变化对井壁受力情况的影响,应用弹性力学及热传导原理将井壁与围岩两者统一建立模型,推导出井壁及围岩的温度应力表达式。推导过程中考虑了围岩及井壁的蠕变性质,分析得出运行期井壁及围岩的变温场为季节性的周期变化,围岩变温随着与井筒中心距离的增大而最终趋向于零;考虑时间因素时,井壁的应力场与围岩力学蠕变参数有关,设计井壁时应考虑围岩的蠕变参数。