未胶结钙质砂中表面基础承载力研究

本文针对南海未胶结钙质砂开展室内表面基础模型试验、大变形有限元模拟和三轴排水试验,获得钙质砂承载特性与力学性质。通过进行室内模型试验,获得松砂和中密砂中反力-位移曲线,且发现基础周围颗粒破碎不明显。然后采用商业软件Abaqus中的大变形有限元模块耦合欧拉-拉格朗日(CEL)开展表面基础有限元计算,本构模型采用摩尔-库伦模型,本构参数通过三轴排水试验确定。有限元模型经室内模型试验结果验证可靠后,开展变参计算,探究基础尺寸和土体相对密实度对表面基础承载力的影响。结果表明,表面基础承载力随基础直径增加而增大,满足幂函数变化规律,进而给出了容许承载力和极限承载力随基础直径变化的预测公式。

基于高水压射流的盾构泥饼切割试验研究

为解决高水压射流清理泥饼布置方式无依据等问题,研制泥饼压制设备和高水压射流装置,并以强风化泥质粉砂岩作为试验材料,开展高水压射流切割泥饼试验,研究射流压力、流量、传输介质等参数对泥饼切割宽度和深度的影响。主要结论有:1)随着冲刷距离的增大,泥饼切割宽度先增大然后逐渐减小至0,而切割深度则逐渐减小;2)射流压力相同的情况下,当流量从49.1 L/min增大至110.0 L/min时,高水压射流对泥饼的切割宽度增大,当流量从110.0 L/min增加至202.8 L/min时,切割宽度反而减小,切割深度则随着流量的增加而增大;3)射流流量相同的情况下,水压力越大,则切割宽度和深度也越大;4)在水中进行泥饼切割时,高水压射流对泥饼的作用以冲刷为主,难以产生有效的切割。

隧道爆破炮孔激光投射装置研发与应用

为解决传统钻爆法隧道爆破炮孔人工粗略定位或采用全站仪定位少数炮孔点导致炮孔放样效果差的问题,基于激光投射技术,研发主控芯片控制激光单元、分光器和光栅协同,实现炮孔激光快速投射,并通过现场试验验证。工程试验结果表明:本装置可将复杂图形一次性以点+线结合的方式投射至掌子面;掌子面凹凸变化在20cm以内,各炮孔定位偏差在3cm以内,可满足现场作业要求;相对于常规全站仪放样而言,在施工便捷性方面有相当大优势,可规范现场炮孔放样作业。

沉井侧摩阻力监测装置设计及应用研究

针对现有沉井施工过程中侧摩阻力测试方法要求高、难度大的问题,自主设计研发一套侧摩阻力直接测试装置,并提出输出电压与侧摩阻力的理论转化公式。通过有限元软件对不同传感器平行梁尺寸下梁端应变和最大应力、不同密封材料下装置的应变损失进行分析,指导传感器平行梁尺寸及密封材料的选择,并利用大型直剪仪对装置进行精准标定,最后在哈尔滨某沉井工程中进行现场应用。研究结果表明:1)平行梁的厚度越小、长度越大,弹性元件在荷载作用下微应变越大,但同时最大应力会增大;2)传感器内填充密封材料后,会存在一定应变损失,采用硅酮结构胶对装置进行密封应变损失最小;3)不同法向应力加载条件下侧摩阻力监测装置标定曲线的一致性较好,线性拟合系数均大于0.99,装置稳定性好。现场应用结果表明,通过侧摩阻力监测装置获取的沉井侧摩阻力与侧壁土压力的分布规律基本一致,且装置易于安装,可靠性好。

不同界面条件下礁灰岩-混凝土界面剪切特性试验研究

为了探索珊瑚礁地层灌注桩桩基承载力特性,采用大型直剪仪对水泥胶结和无胶结无泥皮以及在不同膨润土泥皮条件下的礁灰岩-混凝土接触面进行了直剪试验,以便探究不同界面条件下,灌注桩-礁灰岩接触面的抗剪强度变化规律。试验结果表明:(1)在无胶结无泥皮条件时,接触面剪应力-剪切位移曲线表现为应变硬化型;在水泥胶结条件时,曲线为峰值型,以脆性变化为主;在膨润土泥皮条件时,曲线为应变软化型。(2)水泥浆胶结时,界面抗剪强度高于无胶结无泥皮界面时的抗剪强度,膨润土泥皮界面抗剪强度最低,比无胶结无泥皮条件时降低了60%。(3)在膨润土泥皮条件下进行剪切试验时,随着泥皮含水率和泥皮厚度的增加,界面抗剪强度是减小的,软化程度是增强的,黏聚力和内摩擦力均是减小的。

隧道可拆构件式临时仰拱技术及应用研究

为解决传统工字钢+喷射混凝土临时仰拱施工工序复杂、施作质量受人为因素影响大、无法循环利用的难题,依托实际工程,提出一种新型可拆构件式钢管混凝土临时仰拱及其配套快拆结构,并在同塞高速总卡2#隧道开展测试应用。临时仰拱钢管外径108 mm,壁厚8 mm,管内填充C30细石混凝土;快拆结构由套筒和内置楔形卸荷块组成,钢管混凝土从两侧插入,实现节段连接。现场应用结果表明:1)该可拆构件式钢管混凝土临时仰拱结构安全可靠、工艺可行,可实现工厂预制加工及现场快速拆装,较传统工字钢+喷射混凝土临时仰拱工效提高64.3%,拱顶沉降变形速率降低65.7%~66.1%,周边收敛速率降低74.6%~79.5%;2)结构运行期间实测轴力值小于计算值和设计值,结构处于安全状态,节段重复利用率达94.5%,快拆结构重复利用率达100%。

Hoek-Brown准则的主应力回映算法及其二次开发

在弹塑性模型数值实现的过程中,需要进行应力更新的回映算法。针对三维应力空间回映算法在奇异点收敛性方面的不足,提出主应力空间的回映算法,讨论了算法实现过程的应力空间转化问题,分析了应力更新过程中确定回映区域的方法,建立了相应的一致性刚度矩阵。基于大型有限元软件ABAQUS提供的用户材料子程序UMAT接口,利用Fortran编程语言,实现了Hoek-Brown准则主应力空间的隐式积分算法,利用开发的模型,进行了岩石常规三轴压缩试验的数值模拟,通过与ABAQUS内部的Mohr-Coulomb准则计算结果的对比,验证了模型和程序的可行性和准确性。

预压荷载作用下砂桩复合地基承载力模型试验研究

针对淤泥质土地层沉井基础采用砂桩地基处理后其地基承载力实测值远大于设计值的工程问题,结合砂桩施工过程以及沉井施工工艺,为定量研究附加荷载转换为有效应力压密了地层从而促进地基承载力的提高,根据载荷板试验的要求、最大影响深度以及砂桩置换率,自主设计了可重复利用能施加预压荷载的载荷板模型试验装置,并开展了相关试验研究。结果表明:本套装置利用轨道将模型箱滑入反力架的方法实现了预压后地基承载力测试的反复开展;本套装置可以稳定地施加预压荷载,方便地开展载荷板试验;在置换率为36%的砂桩复合地基在180 kPa预压荷载作用下,埋深0.8 m的桩间土11 d后孔压消散68%;桩间淤泥质土预压固结后地基承载力提高了约58%。对于地基承载力要求较高但容许地基有较大变形的临时工程,砂桩设计可采用该试验装置估算淤泥质土固结后承载力,从而达到减少置换率、节省工程造价的目的。

模拟退火法与有限元耦合反演技术研究

岩体参数是岩土工程安全性分析的关键因素,目前很多研究者通常采用反演分析确定岩土参数。文章针对常规反演方法无法跳出局部最优解和初始值要求高的难题,MATLAB采用软件编制了模拟退火法(SAA)参数反演程序,实现了模拟退火反演理论与ABAQUS有限元软件的耦合分析,反演迭代过程中通过设定跳出局部最优解的概率实现了全局优化反演的目的;提出了针对反演程序的计算实验模型理念,验证了反演程序的有效性和实用性,并对依托工程南京某基坑进行了有效的参数反演分析。

沉井接高过程中砂桩复合地基固结承载特性

为分析沉井接高过程中固结对复合地基承载力的影响,以某大型陆上沉井基础的砂桩复合地基工程为背景,探讨了沉井接高过程中砂桩复合地基的固结特性,分析了加荷历时和砂桩置换率等因素的影响.基于桩土面积比法和桩土应力比法推导了考虑固结影响的砂桩复合地基极限承载力公式,并与复合地基实测承载力进行对比.结果表明:两种分析方法得到的复合地基承载力时程曲线较为接近,且初始承载力均小于复合地基实测承载力,而固结完成后的承载力比复合地基天然强度分别提高了68%和80%.该方法考虑了沉井接高过程中地基固结对其承载力的影响,避免了因低估地基的实际承载力而导致沉井滞沉问题,可为考虑固结影响的复合地基极限承载力计算和制定合理的沉井施工方案提供参考.

絮凝剂在隧道施工废水处理中的应用研究

阐述絮凝剂种类,比较分析各种絮凝剂的应用现状及优缺点,选取3种絮凝剂进行隧道施工废水处理试验,并对处理效果进行比较分析。结果表明,"聚合铝—阳离子有机高分子"絮凝剂脱稳效果好,在去除悬浮物质的同时,也可有效去除石油类物质。发展无毒高效、易于降解、不存在2次污染的絮凝剂将是未来絮凝剂研究发展的趋势。

粉细砂地层地铁隧道盾构小距离下穿既有隧道施工控制研究

随着轨道交通的逐渐完善,地铁隧道盾构小距离下穿既有隧道变得越发普遍。盾构机在粉细砂层掘进时,在富水地带容易造成喷涌现象,沉降范围大,施工风险大。保证小距离下穿既有隧道时,控制土体扰动程度,减少沉降,达到既有管片不开裂、微变形的目的变得越发重要。对待该问题本文总结以往施工经验,提出如下完善的施工方案:(1)在下穿节点位置地面采用三轴搅拌桩进行地层加固;(2)在既有隧道下穿范围内进行管片壁后注浆,加固下穿区域土体;(3)在下穿既有隧道前,沿隧道纵向方向布置四道槽钢,纵向连接管片,增加管片抵抗变形的能力;(4)在既有隧道下穿范围隧道内布设沉降点和收敛点,在地面布置沉降点,进行沉降监测;(5)对盾构机进行故障排查、掘进参数调整,保证下穿时盾构机各项参数正常、稳定;(6)盾构机穿越过程中选择合适的掘进参数,严格控制地层损失。通过以上施工控制措施后,顺利在粉细砂地层小距离下穿了既有隧道。

浅埋大跨小净距隧道断面形态及合理间距的优化研究

对于大跨度小净距隧道而言,合理扁平率及双洞间距的设计对于节约成本,提高隧道线型规划具有至关重要的作用,因此,优化大跨度小净距隧道的扁平率及其间距是隧道设计施工面临的关键问题。利用大型有限元分析软件ABAQUS的标准设计语言Python编程,对某拟建大跨度小净距隧道不同扁平率及其间距进行参数化设计;采用精确罚函数法以及Nelder-Mead优化算法相结合的有限元优化分析计算程序,以隧道开挖面积、围岩塑性区、地表沉降和拱顶下沉等作为优化目标值,对建立的参数化模型进行计算,提出依托工程条件下扁平率及间距的最优组合。研究方法和成果对推动大断面小净距隧道的发展和应用具有重要的现实意义。

BIM虚拟技术在铁路隧道施工管理中的应用

针对铁路矿山法隧道施工中的进度和技术管理现状,利用建筑信息模型(BIM)可视化技术,研究面向工程结构化对象的施工BIM模型创建方法,包括结构化的构件命名规则和建模精度要求,同时探索施工技术方案的3D模型可视化设计的方法及优势。利用BIM虚拟仿真技术,研究施工方案的4D模型虚拟施工推演及优化的方法和流程。最后,建立基于BIM软件的自动核算阶段工程量的方法和流程。依托项目进行具体的技术和方案示范,结果表明,BIM虚拟技术有益于提高隧道施工进度和技术管理水平,提供施工组织设计和项目管理决策的可视化技术手段。

基于修正Mohr-Coulomb准则的弹塑性本构模型及其数值实施

针对Mohr-Coulomb准则高估岩土体抗拉性能的局限性,建立考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型;系统地论述隐式本构积分算法的主要内容,推导相应的一致性刚度矩阵。以ABAQUS软件为平台,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序,对单轴拉伸试验和三轴压缩试验进行数值模拟,对比分析ABAQUS自带模型和自编模型的优劣,结果表明编写的修正Mohr-Coulomb模型能够有效地反映岩土介质的抗拉性能,弥补了ABAQUS自带模型的不足。

福州地铁过江通道泥水盾构弃浆在壁后注浆材料中的再利用

采用泥水盾构掘进隧道会产生大量的废弃泥浆,其处理和运输不仅需花大量的费用,还有可能产生严重的环境污染问题。基于此,文章以福州地铁厚庭-桔园洲区间隧道泥水盾构下穿乌龙江施工为例,研究了利用泥水盾构废弃泥浆配制壁后注浆材料的可行性,采用正交试验对影响砂浆性质的水胶比、粉灰比、砂胶比、泥浆比重4个因素进行了综合优化,并探讨了它们对壁后注浆材料的影响规律。结果表明:(1)水胶比和泥浆比重是影响壁后注浆砂浆稠度、流动度和泌水率的主要因素;(2)水胶比和粉灰比是影响其凝结时间的主要因素;(3)水胶比、胶砂比和泥浆的比重是影响砂浆密度的主要因素;(4)通过控制泥浆比重和水胶比可以配制出工作性能和强度性能良好的壁后注浆材料。

考虑冻融影响的岩土类材料导热系数计算新方法

从多孔随机混合介质理念出发,提出了考虑相变及未冻水影响的冻融条件下岩土类材料的导热系数计算的新方法,并根据已有的试验数据,利用多孔随机混合介质模型求出了同等条件下的导热系数,研究结果表明:模型的计算结果和试验结果基本一致,其平均偏差为2.3%,最大偏差为5.4%。另外,通过与现有的3种导热系数的取值方法的比较发现:目前广泛使用的指数加权平均法在0℃以上时计算结果较准确,但并不适合计算低温(0℃以下)岩土类材料的导热系数。加权调和平均法和加权算术平均法计算结果误差都很大,且不能反映相变对导热系数的影响。研究成果为低温相变条件下岩土介质温度场的正确求解提供了理论前提。

考虑连续墙接头效应的软土大型盾构工作井稳定性分析

基于地下连续墙分幅施工的工程实际状况,建立了连续墙不抗弯不抗剪柔性接头、抗剪不抗弯半刚性接头以及抗剪又抗弯刚性接头的力学模型。结合南京纬三路过江隧道盾构工作井地下连续墙的设计,通过数值模拟,研究了连续墙接头型式对于墙体水平位移以及支护体系受力的影响规律。研究成果表明,在做好连续墙接头防渗的前提下,采用柔性接头时墙体的水平位移较大,支护体系内力明显增高;采用半刚性接头时既可以有效地限制墙体的水平位移,又可以将墙体承担的土压力分担到临时支撑和环梁之上,降低连续墙墙体的内力;采用刚性接头时可以降低临时支撑、环梁以及内衬的内力,但连续墙墙体要能承担极大的竖向弯矩和数值相当的横向弯矩。综合考虑建议工作井采用抗剪不抗弯的半刚性接头。

山岭隧道三维激光扫描及数据处理技术研究

对山岭隧道三维激光扫描及数据处理技术进行研究,发现在某些情况下,双站拼接精度高于全局拼接;提出扫描仪与标靶夹角最佳控制在10°以内,最大角度可控制在50°以内;提出每40m(2站)加设控制点减小拼接误差以及保持相同的测站位置减小扫描采集误差;研发了三维激光数据处理平台,提出了两测站点云无缝裁剪以及设计断面阀值去噪、离散点去噪、图像去噪综合去噪方式,集合了变形监控、侵限分析、二衬厚度、方量等功能,实现了点云拼接、去噪、目标数据一键提取、侵限分析、方量计算、数据分析等。

强风化花岗岩弹塑性本构模型研究(Ⅰ):理论模型及参数反演

厦门翔安隧道是国内修建的第一条海底隧道,其相关勘察、设计以及施工经验和工程总结材料将对国内其他海底隧道的建设具有十分重要的借鉴作用。与山岭隧道相比,需要解决的岩体力学与隧道工程结构设计等方面的问题不尽相同,存在不少现行规范未能涵盖而又亟待在设计中予以明确回答的问题。根据厦门翔安海底隧道风化槽强风化花岗岩的室内应力-渗流耦合试验成果,建立了强风化花岗岩的应变硬化的弹塑性模型和黏聚力演化方程,通过反演确定了模型的力学参数。研究表明,提出的应变硬化的弹塑性模型能合理地反映强风化花岗岩的力学特性,其成果具有很好的推广应用价值。