冻融作用下冰碛体剪切特性与围岩压力研究

冰碛体是由冰川作用搬运大量碎屑物质堆积形成的特殊岩土体。受赋存的地理及气候条件影响,冻融作用会对穿越该类围岩的隧道尤其是洞口段的工程建设带来挑战。笔者调研了中国西藏地区冰碛体围岩地质条件,设置冻融循环直剪试验研究了冻融循环次数与含水率对冻结冰碛体的力学特性和力学指标影响,引入冻融次数与含水率综合参数K,拟合得出黏聚力c公式。结果表明:冻融循环和含水率对冰碛体黏聚力c有较大影响。改进了太沙基理论,提出了适用于冰碛体围岩隧道洞口段的围岩压力计算公式。以昌林铁路某隧道为例,计算不同条件下的围岩压力,验证了公式的合理性。研究发现:冻融循环和含水率是影响冰碛体力学性能变化的重要因素,冻融作用对洞口段隧道围岩压力有不同程度的影响,在工程建设中应充分考虑。

低应变率冲击荷载下节理花岗岩的动力响应规律

岩体中节理面的存在是引起冲击应力波衰减的主要原因,会造成爆炸能量的衰减及降低爆破效果。为探讨低应变率下不同节理倾角花岗岩在冲击荷载作用下的动态力学性质、应力波传递规律和能量传递规律,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)试验装置对低应变率下3种不同冲击气压、4种不同倾角的节理花岗岩进行冲击试验。结果表明:(1)在含节理的岩样中,其峰值应力随节理倾角的增大呈下降趋势,随冲击荷载的增大呈上升趋势;(2)透射系数随节理倾角的增加先增大后减小,随冲击荷载的增大先减小后增大;(3)能量传递系数随节理倾角的增加先增高后降低,完整岩样、节理倾角θ=0º和45º的岩样,其能量传递系数都随着冲击荷载的增大而减小,而节理倾角θ=15º和30º的岩样,其能量传递系数随着冲击荷载的增大先减小后增大。

裂隙灰岩拉剪破坏裂纹扩展规律与断裂机制

为了探究裂隙灰岩体发生拉剪破坏后的裂纹扩展规律与断裂机制,以裂隙灰岩为研究对象,开展拉剪断裂试验,并基于ABAQUS软件建立相对应模型。通过分析得到不同加载位置下裂隙尖端发生断裂破坏过程的应力云图变化,利用J积分与位移外推法计算得到Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子。结果表明:随着加载步数的增加,加载点正下方、裂纹尖端处与底部临空区易形成应力集中区并相互贯通,数值模型与物理试验裂纹扩展路径基本一致,加载距离的增加使得裂纹起裂角与水平方向最远扩展距离变小。利用J积分法与位移外推法计算不同加载距离下应力强度因子K_(Ⅰ)、K_(Ⅱ)值,相对误差在5%以内,计算结果准确度较高。所建立的模型能够较好地反映试验真实断裂情况,其分析结果可为危岩崩塌预报防治提供重要的理论参考。

长锚杆/锚索改善深埋大跨度隧道初支结构受力试验研究

针对深埋大跨度软岩隧道拱脚及拱顶处初支开裂、钢架变形过大问题,提出了局部增设长锚杆或锚索的支护技术,以实现对该类隧道初支结构受力的调节改善。基于课题组自主研发的隧道结构性能测试平台,对比分析了同等围岩荷载作用下系统锚杆支护与多类长锚杆/锚索支护方案的初期支护结构受力变形特征,研究了不同环向间距与布设范围的长锚杆/锚索支护效果。研究结果表明:(1)常规支护时,大跨度隧道初期支护整体呈压扁趋势,拱顶内侧与拱脚外侧承受结构最大弯矩而最先开裂,仰拱内侧拉裂后模型加速变形进而引起结构整体失稳破坏;(2)4种增设长锚杆或锚索支护方案下,初支拱顶处结构安全系数分别为常规支护体系的4.59,2.12,1.96,1.80倍,拱脚处结构安全系数分别为常规支护的5.23,2.80,2.34,2.37倍;(3)在拱部120°范围以2 m环向间距布设长锚杆对初支结构内力改善效果最佳,支护点轴向强拉力产生的局部负弯矩组合效应抵消了拱顶处较大正弯矩;(4)不同位置长锚杆/锚索支护力整体呈从拱顶处至拱肩侧先减小后增大的规律。

动态冲击下红砂岩蠕变特性及损伤本构模型

为研究岩石在动态扰动下的蠕变特性,在自行研发的冲击扰动蠕变试验装置上,对细粒红砂岩开展了多级冲击扰动蠕变试验,分析了不同蠕变应力与扰动能量下瞬时变形与蠕变行为,结合间接法得到了扰动能量对长期强度的影响。结果表明:动态扰动在较低的蠕变应力下使试样致密,而当蠕变应力超过一定的应力阈值后加剧试样内部的损伤恶化,其引起的瞬时变形与蠕变应变则随蠕变应力表现出先减后增的规律;随着动态扰动能量的增加,试样的破坏应变越大,但长期强度越低;引入长期强度与扰动能量的相关性、动态扰动单元和扰动-损伤黏性元件,建立了黏塑性扰动损伤蠕变模型,结合试验数据验证了该模型的准确性,该模型可以准确地描述砂岩在静态恒载和动态扰动组合作用下的瞬态变形和蠕变行为。该研究成果对于钻爆法隧道的支护设计以及安全生产具有重要的理论意义与应用前景。

不耦合空气间隔装药结构爆破机理分析

空气间隔装药爆破广泛应用于隧道掘进开挖,其中不耦合系数是保证光面爆破效果的关键因素。QBT工程现场仅有Φ32 mm直径的药卷,为改善爆破效果,采用LS-DYNA程序对轴向不耦合系数Kl进行数值研究,分析了轴向不耦合系数Kl取2.41、3.22、4.83时炮孔壁应力场、速度场及损伤特性,与光面爆破小直径药卷(Φ25 mm)连续装药结构进行对比,揭示轴向不耦合系数对爆破效果的影响,得到最优取值。结果表明:有效应力峰值与轴向不耦合系数成反比,应力衰减程度与轴向不耦合系数成正比;质点峰值速度下降率为64%~82%,有效降低了爆破振动,轴向不耦合系数越大,控制振动水平能力越强,但由于岩石损伤程度分布发育不充分,在孔口处可能存在挂门帘现象。

基于PB+CCD设计法在PFC 3D数值模型细观参数标定

采用离散单元法分析岩石物理力学特性时,为了使数值模拟的宏观参数满足分析要求,需对细观参数进行参数标定。首先以单轴压缩和巴西劈裂试验的颗粒流模型模拟物理试验,利用PB(Plackett-Burman)设计方法筛选出对宏观力学参数影响最为显著的细观参数,得到细观参数与宏观力学参数的线性关系式。然后以此为基础采用中心组合设计(CCD设计)方法得出细观参数对宏观力学参数的响应性效果,以及细观参数与宏观参数的非线性关系式,并联立线性与非线性关系式进行多目标规划问题求解。最后基于室内试验结果进行多目标规划问题求解,验证数值模拟结果的准确性。结果表明:细观参数平行黏结黏聚力c和平行黏结抗拉强度σ_(t)对岩石单轴抗压强度与抗拉强度影响最为显著,皆呈现正相关关系;平行黏结模量E_(c)和平行黏结刚度比k_(n)/k_(s)对岩石弹性模量影响最为显著,E_(c)对岩石弹性模量呈现正相关关系,而k_(n)/k_(s)呈现负相关关系;k_(n)/k_(s)对岩石泊松比影响最为显著,呈现正相关关系。

特长深埋隧道岩爆倾向性预测与影响因素研究

岩爆倾向性预测是深埋硬岩隧道工程施工的难点,以往研究多以隧道施工中现场监测数据为预测基础,但预测结果存在时效性和局限性。从西南地区某特长深埋隧道工程区地应力现场实测数据出发,对区域地应力场进行三维数值反演分析,获取隧道轴向地应力特征,从而对隧道施工中岩爆倾向性等级进行预测,并利用数值模拟手段对岩爆影响因素进行对比分析,其结果可为类似特长深埋隧道工程提供参考。研究结果表明:①实测点附近三向主应力总体趋势为:σ_(H)>σ_(v)>σ_(h),其中最大水平主应力σ_(H)值为10.96~17.07 MPa,方向N9°W~N7°E;②隧道轴向最大水平主应力σ_(H)最大值为23.88 MPa,最小水平主应力σ_(h)较恒定;竖向主应力σ_(v)最大值为46.70 MPa,其量值变化和隧道埋深呈正相关。该隧道具备岩爆发生的基本条件,施工中存在中等、强烈岩爆风险;③侧压系数为0.8时,墙角处岩爆倾向性较大,其他各部位倾向性相同;埋深越大,岩爆倾向性越大,且各部位岩爆倾向性受埋深的影响程度基本一致;围岩弹性模量为40 GPa时,岩爆倾向性最大;围岩内摩擦角大于40°时,隧道断面各部位岩爆倾向性趋于平稳。

非均质岩石单轴压缩下损伤演化规律数值模拟研究

岩石在单轴压缩直至破坏的过程较快,无法通过肉眼观察裂纹扩展形态,为定量分析花岗岩在单轴压缩下损伤演化规律,利用数值模拟软件模拟非均质花岗岩单轴加载过程,通过模拟模型在不同时步下破坏单元数量,基于有效承载面积的损伤变量理论,计算岩石的损伤变量,进而对非均质花岗岩损伤规律研究。研究结果表明:(1)花岗岩在数值模拟单轴压缩下,会产生共轭破坏(“X”型破裂),其裂纹最初产生的裂纹是由右上到左下的斜向裂纹,其次产生由左上到右下的斜向裂纹,最终形成“X”型共轭破裂;(2)在压缩与弹性阶段数值模拟损伤变量增加较少,在裂纹发展阶段数值模拟损伤变量开始以平均增幅为0.003 5缓慢增加,在峰后破坏阶段数值模拟损伤变量以平均增幅为0.035激增,与岩石时间与应力的曲线变化有很好的一致性。研究结果可对后续非均质岩石表面与内部裂纹发展相关性提供新的研究途径,进而为岩石破坏预警监测提供新的研究途径。

地铁隧道下穿既有建筑桩基础的影响分析

地铁隧道在施工过程中,隧道下穿上部建筑物时会对桩基础受力和变形造成影响。同时,在施工过程中桩基础的卸载也会影响到隧道结构的受力。因此,研究地铁隧道下穿建筑物桩基础具有重要意义。本文以成都地铁6号线下穿搅拌站桩基础为工程背景,利用Midas GTS软件建立桩基-隧道三维数值计算模型,对地铁隧道下穿既有建筑物桩基础采用三台阶预留核心土法施工技术进行数值分析,并结合地表沉降监测数值进行对比分析。结果表明:隧道开挖后,围岩位移、桩基础位移、桩基础应力和地表沉降值均较小,说明施工安全可靠。同时,将地表沉降模拟值和实测值进行比较分析,发现两者变化规律基本一致且相对误差较小。因此可以得出结论,本文所建立的数值模型具有较高的合理性。

川西北某隧道涌水量及水压力分析

川西北某隧道工程区构造发育、岩体破碎、水压高,隧道施工和运营面临严峻考验。为了研究涌水量及水压力对隧道施工和运营的影响,对隧址区开展了地质勘探,并采用理论计算和有限元模拟分析了隧道施工期和运营期的涌水量、水压力分布。研究结果表明:(1)隧址区水文地质单元内岩性为非可溶岩,地下水属于中等含水岩层的基岩裂隙水;受构造作用的影响,地层岩体裂隙发育,为地下水渗流提供了良好的通道;隧址区内地下水主要补给来源为大气降水,多年平均降雨量约620 mm,最大降雨量约1034 mm;(2)隧道全长正常涌水量约为6940 m^(3)/d,最大涌水量约为11610 m^(3)/d;(3)隧道开挖后,上方围岩产生降水漏斗,地下水部分流失,而强降雨天气导致地下水位大幅增长;(4)随着水头高度的增大,隧道水压力和涌水量剧增,威胁隧道结构的安全。隧道的防排水结构与衬砌设计需考虑强降雨天气的影响。

冲击载荷作用下预应力锚杆锚固阻裂效应试验研究

在采动应力、冲击动载作用下,深部巷道围岩原生裂隙进行发育、扩展、失稳是深部围岩动力灾害的重要诱因,通过锚杆支护增加破碎围岩完整性,抑制原生裂隙的再度扩展是预防围岩动力灾害的重要手段。为此,采用分离式霍普金森压杆试验系统开展端锚、全锚、让压+端锚3种锚固方式及端头锚固不同预紧力矩条件下预应力锚杆CCNBD试件的冲击动载试验,分析了预应力锚杆对岩体动态断裂韧性、裂纹起裂时间、裂纹扩展速度的影响规律,揭示冲击载荷作用下预应力锚杆锚固阻裂效应。研究结果表明:(1)预应力锚杆阻裂效应表现为提高岩体动态断裂韧性、延缓裂纹起裂时间与降低裂纹扩展速度;(2)高预紧力端头锚固与全长锚固均有助于锚杆发挥锚固阻裂效应,其强化顺序依次为全长锚固>端头锚固>让压+端头锚固,后者因让压结构补偿了裂纹扩展空间,弱化了锚固阻裂效应;(3)冲击载荷作用下加锚岩体变形破坏过程具有裂纹孕育阶段、裂纹扩展阶段、锚杆承载阶段3个阶段,高预紧力矩与全长锚固时锚杆轴向应力在裂纹扩展阶段增速最明显,锚杆锚固阻裂效应最明显。研究成果对深部动载巷道锚固支护工程具有一定的理论指导及借鉴意义。

央达隧道掌子面前方边坡地表开裂研究

隧道开挖引起掌子面前方边坡离掌子面水平距离超过5倍隧道断面尺寸的地方地表开裂问题是急需解决的课题。将广西央达隧道开挖引起掌子面前方边坡开裂问题作为工程实例,采用地质勘察和边坡监测手段开展研究,并建议了一个基于有限差分软件FLAC^(3D)遍布节理模型的分析模型进行分析,该分析模型利用有限差分软件FLAC^(3D)遍布节理模型和反演技术分析考虑优势节理影响的隧道开挖的边坡响应,重点分析塑性屈服区分布特征。工程勘察研究结果表明优势节理J1倾向与滑动条带主滑方向基本一致;边坡监测研究结果给出了主滑段最大埋深大约为15~18 m和采取边坡加固措施后的边坡滑移范围;数值模拟结果主滑段埋深与监测结果的估计深度接近,边坡后缘裂缝两端点直线段长度为63 m,与裂纹实际长度接近,裂缝端点与隧道掌子面之间距离为99 m,与实际距离90 m接近。分析结果表明,本研究建议的分析模型合理可行,且对类似工程具有借鉴意义。

高地应力判据及其影响因素研究综述

工程岩体赋存应力状态的准确评价和判断是地下工程设计、稳定性分析和风险控制的重要前提。为明确高地应力判据的理论研究和工程实践应用的发展现状,详细归纳了温度、地下水、构造运动、不良地质条件、埋深和地形地貌等因素对地应力大小的直接或间接的影响效果;分析了现存的几种高地应力判据,结合最新研究成果汇总了18种高地应力地区的地质标志,并依据工程现象、发生条件以及破坏机制总结出了13种地质标志的相应工程现象和典型图片。对各种判据的普适性进行了合理评价,指出强度应力比判据是目前相对较权威的判据,进而结合工程实例对该判据现存的6种计算和分级方法进行了对比分析,确定准确度最高的强度应力比判据为岩石干燥单轴抗压强度与最大主应力比值法(UCS_(干燥)/σ_(1))。研究成果可为相关高地应力分级的理论研究和工程实践提供借鉴。

深埋隧道微震数据规律及岩爆特征分析

多雄拉隧道最大主应力超过30 MPa,属于岩爆易发隧洞。为保证掘进过程中的安全,建立了微震监测网络。通过微震监测数据,对微震监测方案进行评价。同时对微震事件、微震序列和微震震源参数三个指标随时间的演化规律进行统计分析。结果表明:73.23%的微震事件的定位误差在20 m之内,77.67%的微震事件的矩震级集中于-1.75~-0.9之间;在岩爆发生之前累计能量和微震事件会出现显著增加;多雄拉隧道强岩爆和轻微岩爆的微震序列都属于前震-主震-余震型;强岩爆和轻微岩爆的应力降都显著高于其前后的微震事件,且应力降相对于矩震级来说作为岩爆预警信号更加明显。

钙质砂室内载荷试验研究

为保护和开发海洋资源,在珊瑚礁上进行工程建设时必须要查明岛礁上钙质砂地基的承载力和变形特性。室内载荷试验的结果表明,相同密实度的钙质砂具有比石英砂大得多的承载力和变形模量,变形量则小得多;钙质砂的承载力随着相对密实度的增大而增大,破坏时的变形量显著减小;相同密实度下饱和钙质砂比干燥钙质砂的承载力和变形模量低很多。钙质砂地基中土压力随深度急剧衰减,荷载的有效影响深度为2～3倍基础宽度;随着荷载的增大,土压力从表层逐渐传递到更深的土层。

深埋隧道围岩形变压力计算方法研究

通过大量的深埋隧道围岩形变压力现场实测数据,采用数理统计方法,分析了围岩级别、隧道跨度、隧道埋深对围岩形变压力的影响及其变化规律。通过多元非线性回归分析方法,推导建立了竖向形变压力计算公式。通过分析可知,形变压力约为《铁路隧道设计规范》计算荷载的84%~92%,且围岩级别越高两者比值越小。形变压力侧压力系数近似服从正态分布,与《铁路隧道设计规范》中侧压力系数相比,各围岩条件下侧压力系数均有一定的增大。研究成果对我国隧道及地下工程支护结构设计具有一定的参考指导作用。

高温周期变化与高围压作用下大理岩力学特性试验研究

为了探讨温度周期变化与高围压对大理岩变形、强度特性及破坏断裂损伤劣化的影响,采用MTS815.03电液伺服刚性岩石试验系统,选取四川凉山雅砻江大河湾锦屏二级水电站引水隧洞围岩大理岩试样分别进行不同温度变化(100～600℃),周期次数为8次。进行高围压(60 MPa)作用下全应力应变过程三轴压缩与单轴压缩对比试验,系统分析比较了温度循环与高围压作用对大理岩应力-应变关系曲线、峰值应力、残余应力,峰值应变、残余应变以及弹性模量等的影响。试验结果表明,大理岩随着温度升高,峰值强度、残余强度、弹性模量下降,峰值应变和残余应变随之增大;在同一温度下,随着循环次数增加,其弹性模量、峰值强度、残余强度降低,温度越高,降低越明显;多次循环后,岩石的脆性变大,应力-应变曲线峰后段不再平滑,残余应变变小,其研究成果为锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定性分析提供理论依据。

卸荷速率和孔隙水压力对砂岩卸荷特性影响研究

为了研究卸荷速率和孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性的影响,设计进行了不同卸荷速率(0.005,0.02,0.05,0.1 MPa/s)和不同孔隙水压力(0,0.3,0.6,0.9,1.2 MPa)下的三轴卸荷试验。研究结果表明:(1)在加载阶段,随着孔隙水压力的增大,岩样的应力–应变曲线斜率逐渐降低;(2)在围压卸载阶段,卸荷速率越大,卸载阶段的应变围压柔量越小,岩样破坏时的围压越小,岩样强度相对较高,但破碎程度更严重,而且,在相同的卸荷速率情况下,孔隙水压力越大,岩样侧向扩容现象越明显,岩样越容易破坏;(3)在围压卸载阶段,岩样的变形模量出现了先缓后陡的劣化趋势,而且,卸荷速率越小、孔隙水压力越大,变形模量劣化幅度越大;(4)卸载过程中,卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越明显;孔隙水压力越大,岩样破坏时的近轴向的张性裂纹越多和追踪次生裂纹越多,孔隙水压力在岩样内部裂纹、裂隙尖端的应力集中是导致岩石变形破坏的主要原因。

裂隙冻胀压力及对岩体造成的劣化机制初步研究

岩体在冻融循环下裂隙中会经历冻胀力的萌生、发展与消散,裂隙冻胀扩展和岩体冻胀损伤程度受冻胀力控制,基于热力学、渗流理论、界面力学和弹性理论建立了柱形封闭裂隙中冻胀力演化模型,对考虑水分迁移和不迁移两种情况下的冻胀力量值进行了研究。结果表明:不考虑水分迁移作用下冻胀力随裂隙饱和度g和岩石弹性模量sE增加而迅速增大,当sE>10 GPa且g>94%时产生的冻胀力超过15 MPa,足以驱动任何岩体冻胀开裂,不同岩石裂隙冻胀开裂存在一个对应的临界饱和度ming;考虑岩石的透水性,渗透率低于5×10^(-14) cm^2的低渗透性岩石中裂隙水冻结会产生较大的冻胀水压力,容易引起裂隙冻胀扩展;而在渗透率大于10^(-12) cm^2的高渗透性岩石中,饱和裂隙水冻结难以形成有害的冻胀水压,裂隙冻胀开裂主要是冻结后期在冰-岩界面间的微观未冻水膜中产生的分离压力引起。