基于厚壁圆筒理论的袖阀管注浆开环压力计算方法及影响因素分析

目的袖阀管注浆技术已广泛应用于地层加固、路基病害治理、地铁站渗漏水处治等众多工程领域,然而袖阀管注浆的关键技术—开环压力的确定问题目前尚未有效解决。为解决此问题,方法基于厚壁圆筒理论模型,提出任意倾斜状态下袖阀管出浆口地层应力计算方法,结合第四强度准则,建立考虑多因素综合影响的袖阀管注浆开环压力理论计算公式,并进行开环压力影响因素分析。结果结果表明,袖阀管注浆开环压力随套壳料抗压强度、套壳料与土体泊松比比值、注浆深度、地层最小与最大水平主应力比值的增大而增大,随着套壳料内外半径比、套壳料与土体弹性模量比的增大而减小。套壳料抗压强度、套壳料内外半径比、注浆深度和注浆钻孔方向对开环压力的影响较显著。注浆钻孔方向对开环压力影响较大,α一定时,开环压力随β增大而减小;β一定时,开环压力随α增大而增大。将本文建立的袖阀管注浆开环压力计算公式应用于新建大冶北至阳新铁路DK107+105框架顶进涵工程,并与现有开环压力计算方法进行对比,利用本文方法计算得到的开环压力值更接近现场实测范围,并优于现有计算方法。结论研究结果可为袖阀管注浆理论发展和现场应用提供支持。

单轴压缩条件下软硬互层类岩石的声发射特性与裂纹类型演化

为进一步揭示不同层理倾角的软硬互层岩在单轴压缩下的声发射特性和裂纹扩展规律,采用类岩石材料制备了软硬互层类岩石试样,基于搭载DS-5型声发射监测系统的RMT-150B型岩石力学试验系统,开展了不同层理倾角(0°、30°、45°、60°和90°)的软硬互层类岩石试样的单轴压缩试验,分析了层理倾角对岩样声发射特性、损伤演化和裂纹扩展的影响。结果表明:试样的声发射活动呈现明显的阶段性特征,且不同层理倾角下其分布特征具有明显差异,声发射特征参数表现出明显的层面效应,声发射累计振铃计数和累计能量随着层理倾角的增大先减小后增大;低频-超高幅信号的突然出现或占比增加可作为软硬互层类岩石试样的破坏前兆,低角度(0°、30°)试样表现为大尺度裂纹稳步扩展破坏,中角度(45°、60°)试样为大尺度裂纹突发失稳扩展破坏,高角度(90°)试样为小尺度裂纹突发失稳扩展破坏,60°层理倾角为试样破坏的最不利角度;试样的损伤累积过程同样具有明显的阶段性特征,在峰值应力前,试样的损伤累积主要集中在高速率损伤阶段,中等角度(45°、60°)的层理面加快了试样的损伤累积过程;不同层理倾角对软硬互层类岩石试样的拉剪裂纹演化的影响差异明显,水平层理面促进了拉剪裂纹的产生,层理倾角的逐渐增大促进了类岩石试样拉剪裂纹的发育,在层理面与岩石基体共同作用下,随着层理倾角的逐渐增大,类岩石试样的剪切裂纹占比先增大后减小,且剪切裂纹数目处于较高水平。研究结果对地下工程围岩结构的稳定性评估具有一定的参考作用。

岩溶隧道断续裂隙掌子面突水过程三维离散元分析

为探究岩溶隧道在开挖过程中处于不同倾角断续裂隙下防突结构位移、渗流场和岩溶水压的变化规律,运用三维离散元软件进行数值模拟分析研究。构建岩溶隧道断续裂隙掌子面突水计算模型,模拟分析了隧道发生突水灾害时,防突岩体的多元物理信息变化过程。结果表明:隧道掌子面的最大位移点通常位于裂隙和隧道掌子面的交界处;当裂隙倾角从20°增至45°时,水压不断增大;倾角从45°增至70°时,各位置处的水压逐渐减小;随着岩溶裂隙倾角不断增大,岩溶水在裂隙中的最大流速先减小后增加。研究结果可为岩溶隧道突水防控提供指导作用。

持续开挖效应下结构面剪切力学性质与能量特征研究

基于地下岩体工程开挖扰动的实际情况,开展考虑持续开挖效应,充分反映岩体结构面应力调整过程的结构面剪切试验更具理论意义和工程应用价值。采用人工劈裂方法制备岩体结构面,开展了常规应力路径和持续开挖效应下的结构面剪切试验,系统研究了两种条件下结构面剪切力学性质、声发射特征和能量的演化规律。研究结果表明:开挖扰动荷载强度越大,结构面发生剪切破坏时的剪应力降整体上越大,但持续开挖效应下的剪应力降最大值仅为常规应力路径下剪应力降的48.57%;考虑持续开挖效应的结构面剪切过程中声发射活动主要集中于结构面受剪破坏和剪应力降产生时,且声发射活动强度与开挖扰动强度正相关,声发射振铃计数变化率极值明显小于常规应力路径下的相应值;持续开挖效应下试样裂纹发育密集度、结构面磨损区域及破坏程度均随开挖扰动强度增加而增加,但试样裂纹发育的密集程度和结构面破坏程度相对常规应力路径下的情况轻;考虑持续开挖效应的结构面发生剪切破坏时弹性应变能随扰动荷载增大而增大,均低于常规应力路径条件下的弹性应变能值,持续开挖效应降低了结构面剪切破坏的强度,但更易引发结构面发生剪切破坏。

提高ECDL扫频线性度的高效迭代算法

针对调频连续波激光雷达扫频线性度较差的问题,提出一种适用于压电陶瓷外腔的可调谐外腔半导体激光(external cavity diode laser,ECDL)的高效率线性化预调制修正方法。基于体光栅反馈的ECDL模型和压电陶瓷迟滞特性,设计了符合压电陶瓷偏置器(piezoelectric ceramics,PZT)物理性质的迭代控制算法,实现了ECDL高线性度扫频激光输出。该激光系统能够实现在60 kHz的重频条件下,输出扫频带宽为1.1 GHz的线性扫频,残余非线性达到10-7,并且通过实验验证了在80 m的距离下厘米级的测量精度,在3 km的距离下实现米级测量精度。结果表明,该算法可以有效解决压电陶瓷偏置器的ECDL的线性化修正问题。

深埋地下洞室局部让压效应及能量演化规律

为了更大程度地降低岩爆所带来的动力灾害,基于岩爆能量原理,提出了隧道内壁或掌子面前方产生的应力集中现象为非均匀薄壁应力集中的概念,分析认为诱发岩爆的位置为应力集中且应力梯度较大处。以实际工程为依托,通过FISH语言编译计算代码对三维有限差分数值软件进行二次开发,系统地从围岩局部让压的角度研究深部地下洞室在动载作用下的能量演化规律以及钢架合理支护让压间距对洞室破坏形式和动态响应规律,研究表明:由于围岩的局部让压效应,对围岩的扰动减少,冲击波能量在掌子面处被吸收和反射,导致动力响应减弱,使动力荷载有所消减。洞室开挖后,围岩在破坏初期首先出现张拉破坏而后以剪切破坏为主,剩余弹性应变能以动能形式向外剧烈释放,发生岩爆现象的部位与岩体最大主应力方向具有直接关系。

HGM质量分数和环境温度对水泥基隔热注浆材料性能的影响

为了满足高地温隧道建设中隔热注浆材料需要,采用偏高岭土取代部分水泥配制浆液,并加入空心玻璃微珠(hollow glass microspheres,HGM)提高隔热性能。在模拟的地热环境中,探讨碱激发剂质量分数对水泥-偏高岭土注浆材料抗压强度的影响以及HGM质量分数和环境温度对注浆材料性能的影响。结果表明:激发剂在最佳质量分数1%时可提高抗压强度15.89%,随着HGM质量分数增加,凝结时间会延长,注浆材料抗压强度、抗渗性和导热系数降低;养护温度升高会缩短凝结时间、降低注浆材料导热系数,并使结石体28 d抗压强度和抗渗性先升高后降低;当养护温度超过50℃时,结石体后期抗压强度出现倒缩。SEM和孔隙率分析表明,40℃养护形成的结石体孔隙率最低,HGM被水化产物包裹较好,但界面结合力尚需增强。

兼顾人防功能的地下综合管廊安全运维风险评估与优化

兼顾人防功能已成为地下综合管廊建设和运维的发展趋势,但地下综合管廊自身功能与人防要求的耦合使其安全风险评估和运维更为复杂,针对此问题提出基于AHP-云模型的地下综合管廊兼顾人防安全风险评估方法和补强优化措施。首先,利用等级全息建模方法(HHM)从宏观结构和安全管理视角构建风险识别维度,运用Vague集理论过滤分析,建立6个一级风险指标、36个二级风险指标;其次,构建风险评估AHP-云模型,评估徐圩新区地下综合管廊兼顾人防的安全运维管理现状;最后,针对评估结果并结合人防工程相关标准,提出综合管廊兼顾人防功能的优化措施,基于BIM和Unity 3D建立综合管廊兼顾人防情景演练。结果表明:评估方法与指标适用于兼顾人防的地下综合管廊,评估结果直观、准确、可靠;项目整体运维安全风险等级为低风险,但结构主体和孔口设施为中等风险,经补强优化后符合人防相关要求。

滨海城市综合管廊全方位风险评估与智能化实现

滨海城市综合管廊地基松软、外部环境复杂,管廊安全风险点多且动态变化显著,安全风险评估影响因素众多、工作量大。为解决上述问题、全面系统辨识管廊风险,提出基于WBSRBS分解结构法、情景分析法和专家调研法相结合的城市综合管廊风险辨识方法,构建滨海城市综合管廊运维期全方位安全风险辨识清单,建立层次分析法和风险矩阵法相结合的风险评估方法(AHP-LS法),进行管廊智能化风险辨识,搭建评估平台。基于以上研究结果对徐圩新区地下综合管廊进行风险评估,构建徐圩新区地下综合管廊全方位风险清单,得出各危险源的风险综合值和风险等级,实现徐圩新区地下综合管廊风险的智能化辨识与评估,为徐圩新区地下综合管廊的安全运维提供指导。

不同应变率和碳纳米管掺量下混凝土的力学性质与能量演化特征

为研究应变率(加载速率)和多壁碳纳米管掺量对碳纳米管混凝土试样力学性质、能量演化规律及损伤破坏特征的影响,采用RMT-150B岩石力学试验系统,对不同应变率下不同碳纳米管掺量的混凝土试样开展了系列单轴压缩试验。试验结果表明:碳纳米管混凝土试样的延性随着多壁碳纳米管掺量的增加而增大;当应变率恒定时,多壁碳纳米管掺量为0.1%的改性碳纳米管混凝土的单轴抗压强度最大;当多壁碳纳米管掺量恒定时,应变率为5×10−3 s−1(0.5 mm/s)时碳纳米管混凝土试样的单轴抗压强度最大;当应变率较大时,在试样峰值应力处,碳纳米管混凝土的能量耗散值占总能量的28.29%;当应变率较小时,试样峰前阶段的能量耗散现象显著,峰值应力处耗散能占比平均高达37.34%;当应变率和多壁碳纳米管掺量均较小时,碳纳米管混凝土在破坏前所吸收的能量大量转化为耗散能,峰后试样能量释放率较小,表现为局部张拉与剪切混合破坏特征;当应变率和多壁碳纳米管掺量均较大时,碳纳米管混凝土在破坏前所吸收的能量主要储存为可释放弹性应变能,在破坏时混凝土试样的能量释放速率较高,碳纳米管混凝土试样破坏时较为破碎,一定程度上表现出冲击破坏的特征。

不同含水状态下裂隙砂岩的声发射及裂纹扩展试验研究

为进一步揭示不同含水状态陡倾裂隙砂岩的裂纹扩展规律及破坏特征,开展了干燥、自然与饱水3种含水状态下陡倾裂隙砂岩的单轴压缩试验,采用声发射技术和数字图像相关技术,分析了不同含水状态对裂隙砂岩力学特性、声发射特性及裂纹演化特征的影响。结果表明:水的存在对裂隙砂岩的抗压强度、弹性模量及峰值应变具有明显劣化作用,随着含水率增加,各力学参数呈现出近线性递减的变化趋势;不同含水状态下裂隙砂岩的宏观破坏模式均表现为H形张拉-剪切混合破坏,且张拉裂纹随含水率的增加而增多,次生裂纹也主要以张拉裂纹的形式扩展;裂隙砂岩的声发射能量计数随含水率的增加逐渐削弱,累计能量曲线呈现出明显的阶段性特征,且不同含水状态下其分布特征差异明显,结合声发射与数字图像相关技术两种分析方法,有助于从宏细观角度揭示裂隙砂岩的裂纹演化规律,依据应变局部化带可有效预测裂纹萌生与扩展方向,含水率的增加加快了裂纹萌生速率,减缓了加载后期裂纹扩展速率;基于声发射参数的微裂纹分析结果与宏观破坏模式基本一致,不同含水状态对裂隙砂岩拉剪裂纹的影响差异明显,含水率的增加促进了裂隙砂岩内部张拉裂纹的发育,进而抑制了剪切裂纹的发育。研究结果可为受水影响下裂隙岩石的稳定性评估及监测研究提供相关参考。

偏压地形下隧道围岩稳定性及支护参数优化研究

针对偏压地形下不同埋深隧道的支护问题,以毛洞水平位移和塑性区对称分布作为判断偏压地形下隧道深浅埋的依据确定了隧道深浅埋分界线,将洞内最大水平收敛值和最大沉降值作为特征点评价不同埋深下隧道的稳定性并进行支护参数优化分析.结果表明:(1)随着隧道埋深的增加,当隧道埋深3D(D为隧道洞跨)时相比埋深1D,最大水平收敛值增大3.1倍,最大沉降值增大5倍;(2)偏压地形下深、浅埋隧道最优超前支护厚度分别为50 cm和30 cm,最优初期支护厚度和开挖进尺分别为20 cm和1 m;(3)提高支护强度对控制深埋隧道围岩变形效果较好,施工时应采用超前支护+初期支护等联合支护措施.

不同条件下后施工隧道爆破开挖对邻近隧道振速的影响规律

为研究后施工隧道爆破开挖对邻近隧道的影响,以格鲁吉亚E60高速公路隧道为工程背景,通过对大断面浅埋双线隧道爆破开挖进行数值模拟,探究爆破荷载对不同间距、不同埋深、不同围岩等级的邻近隧道振速的影响。结果表明:爆破荷载以后施工隧道掌子面为中心向四周围岩传播;在邻近隧道距爆源前方5 m的断面处围岩振速达到最大值,邻近隧道中爆源前方振速大于后方振速,且迎爆侧振速远远大于背爆侧振速,迎爆侧振速衰减速率大于背爆侧振速衰减速率,邻近隧道拱腰受到爆破荷载的影响最明显;邻近隧道围岩的x方向振速最大,z方向振速次之,y方向振速最小;不同条件下隧道间距、隧道埋深和围岩等级均与邻近隧道围岩及初期支护振速成反比,其中围岩等级对邻近隧道爆破的影响最显著。

基于分数阶微积分的Kelvin-Voigt流变模型

为研究岩土材料的应力、应变和时间的关系,基于分数阶微积分理论,定义含分数阶导数的力学元件(FC元件),推导FC元件的蠕变柔量和松弛模量。与牛顿体元件相比,FC元件能更好地反映流变问题的非线性渐变过程。借鉴经典元件组合模型的建模思路,用FC元件取代整数阶微积分Kelvin-Voigt流变模型中的牛顿体元件,形成基于分数阶微积分的Kelvin-Voigt流变模型。应用离散化求Laplace逆变换的方法以及H-Fox函数,得出分数阶微积分Kelvin-Voigt流变模型的本构方程、蠕变方程、松弛方程、蠕变柔量及松弛模量的解析表达式。采用整数阶微积分Kelvin-Voigt流变模型、整数阶5参数开尔文流变模型和分数阶微积分Kelvin-Voigt流变模型对试验数据拟合的结果表明,分数阶微积分Kelvin-Voigt流变模型不但拟合精度高,能够克服整数阶微积分Kelvin-Voigt流变模型在蠕变初期及蠕变曲线拐点附近与试验数据不能很好吻合的弊端,而且能够在保证拟合精度的条件下,减少本构模型中的参数。

城市地下综合管廊常见运维灾害及对策研究

城市地下综合管廊作为现代化城市建设中不可或缺的一种重要基础设施,是保持城市能量流、物质流及信息流畅通的众多生命线之家,然而可以预见大量的灾害将成为其正常运行的严重威胁。在对国内外城市地下综合管廊灾害事故统计分析的基础上,结合与之具有一定程度相似性的市政管线(或隧道)及其他类型运营隧道灾害,系统划分了其运维期灾害类型,并对自然灾害、技术灾害和人为灾害类型进行了细分,提出了其运维期灾害防控的基本原则。在此基础上,重点分析总结了综合管廊火灾和震害的产生机理和应对措施;还就人为灾害、渗漏水问题、不均匀沉降以及环境安全问题及其对策进行了研究。研究成果可为运维期综合管廊减灾防灾提供参考。

侧部高压富水溶腔与隧道间岩柱安全厚度的研究

岩溶区隧道周围不可避免地存在一些中小规模的隐伏溶洞,由于隧道的开挖、卸荷改变了隧道与溶洞间岩柱的应力状态,溶洞中的高压岩溶水进一步恶化了其稳定性,造成隧道突水、突泥等岩溶灾害的发生,带来了重大安全危害和经济损失,成为岩溶地区隧道施工中亟待解决的重要问题。除施工扰动、高水压作用外,隧道与溶洞间岩柱厚度不足是引起这一工程问题的主要因素,建立隧道与溶洞间岩柱安全厚度预测模型具有重要的理论意义和重大的工程实用价值。针对常见的中、小尺度的侧部高压富水溶腔,综合考虑安全厚度的影响因素,以隧道周围的塑性区和溶洞周围的高渗透带的贯通与否作为中间岩柱稳定的判断标准,建立了中间岩柱安全厚度力学预测模型,在此基础上分析了各因素对最小安全厚度的影响规律。以忠垫高速公路岩溶隧道为例,利用最小安全厚度预测公式判断中间岩柱的稳定性,其结果同基于现场量测判断的结果一致,从而说明上述方法具有一定的可行性。

岩溶隧道掌子面突水机制及岩墙安全厚度研究

从断裂力学角度分析高压岩溶水作用下裂隙扩展机理,认为自然营造力作用下水力劈裂多属压剪破坏模式。运用断裂力学和水力学理论分析隧道掌子面突水滞后效应和扩径效应,指出:裂纹扩展跳跃性在宏观上表现为隧道掌子面突水的滞后性;掌子面突水通道最终形成需经过多个阶段,其最终尺寸受岩溶水压力、掌子面岩体质量等因素控制。认为隧道掌子面突水是由于开挖扰动降低了水压劈裂的临界水压力造成的。据此观点,建立基于临界水压力的掌子面岩墙安全厚度计算公式。以宜万线云雾山隧道为例,计算得到岩墙最小安全厚度与施工中普遍采用预留厚度较为一致,说明此方法较为合理,可为类似工程提供参考。

岩溶隧道掌子面防突厚度理论分析

掌子面岩墙预留厚度是高风险岩溶隧道采用释能降压法施工时的一项重要技术参数。本文基于弹性厚板理论,分析了岩溶隧道掌子面突水机制,推导了边界条件分别为固支和简支两种模式的岩溶隧道掌子面岩墙安全防突厚度及临界水压计算公式。上述计算公式的参数化分析表明,两种模式下掌子面岩墙安全防突厚度随前方岩溶水压力、岩体泊松比的增大而增大;掌子面岩体质量越差,防突厚度愈大。临界水压力随掌子面岩墙厚度增加而增加,掌子面岩体质量越差,临界水压力愈小。掌子面岩墙安全防突厚度的理论分析及算例结果表明,固支边界条件下的计算结果与施工中普遍采用的预留厚度值较为一致,该结论可为类似工程提供参考和借鉴。

宜万铁路岩溶地质特征及其发育模式

宜万铁路沿线地形、地质条件复杂,是目前已建和在建铁路中岩溶最发育的工程。宜万铁路全线设计隧道159座,其中全线洞身穿越可溶性岩层的隧道由91座。隧道施工中不可避免的遭遇到岩溶的不利影响,造成隧道突水、泥等岩溶灾害的发生,带来了重大安全危害和经济损失,成为亟待解决的重要问题。本文通过对全线岩溶发育特征、地下岩溶形态的分析,依据典型岩溶隧道实例,对隧道与岩溶的位置关系进行了分类,并探讨了宜万线岩溶隧道的主要岩溶灾害,在此基础上将隧道中的岩溶发育特征概化为四种基本模式,为采取定量分析方法分析岩溶隧道突水、突泥及岩层垮塌机理,得到规律性的认识提供支持。

岩溶区隧道突水灾害防治原则及治理对策

突水已经成为我国岩溶地区隧道修建中最严重、且最常见的地质灾害。本文通过岩溶区隧道施工中突水灾害防治技术现状的调研,结合宜万铁路沿线众多岩溶隧道突水灾害治理的工程实践,总结、概括了我国近一个时期岩溶隧道施工中突水防治的基本原则和治理对策,这对今后类似隧道工程防治水技术有较大的借鉴价值和指导意义。