高渗压与循环加卸载环境下开挖卸荷岩体力学特性试验研究

探究高渗压与循环加卸载环境下深部开挖卸荷岩体力学特性的演化规律,有助于揭示复合荷载作用下工程开挖卸荷围岩的变形破坏机理。从区分开挖扰动强度与渗压量级入手,以高渗压环境下遭受开挖扰动的卸荷岩体为对象,开展了考虑特定孔压与循环荷载复合作用条件下的三轴加卸载试验。结果表明:(1)卸荷量级直接影响循环加卸载过程岩样的变形规律及其破坏强度,孔隙水压促进了岩样循环加卸载过程的拉剪破坏;(2)孔压增幅加剧了同量级卸荷岩样循环加卸载过程的延性变形及强度衰减,且卸荷岩样的轴向、环向与体积变形曲线均在2MPa孔压时产生波动;(3)伴随孔压增加,岩样卸荷量级为30%时的环向变形呈先增加后减小的趋势,而岩样卸荷量级为60%时的环向变形呈现先减小后增加的规律;(4)伴随卸荷量级与孔压增加,岩样破坏时端部裂隙的倾角逐渐增大,沿岩样轴向产生的拉剪破裂面愈加凸显。

裂隙型类岩竖井注浆帷幕试样开挖卸荷响应试验研究

为研究竖井注浆帷幕围岩开挖卸荷响应,利用裂隙型类岩竖井注浆帷幕试样进行三轴开挖卸荷模拟试验,测试了开挖卸荷过程中试样的应变响应,并采用CT扫描对开挖卸荷后试样的破裂模式和破坏范围进行分析。结果表明:开挖卸荷后试样应变响应随半径的增大而迅速衰减,且卸荷阶段的应变占主体;开挖卸荷后试样中浆液结石体和基质岩块的变形不连续,液结石体的变形大于基质岩块的变形;单液水泥浆充填的注浆帷幕试样抗变形能力强,试样中相同半径处的切向应变与径向应变都明显小于黏土水泥浆充填的注浆帷幕试样;应力水平对试样开挖卸荷响应具有重要影响,应力水平越高,卸荷阶段的变形越剧烈,卸荷阶段的应变占比更高。开挖卸荷后,单液水泥浆充填试样易沿着浆液结石体与预制裂隙的接触面发生开裂,破裂半径为开挖半径的1.2~1.5倍;黏土水泥浆充填试样破坏模式复杂,破裂半径为开挖半径的1.5~2.0倍。研究成果可为井筒水害防治中竖井注浆帷幕设计提供参考。

库岸边坡开挖卸荷后稳定性评价

以西部某水电站工程边坡为研究对象,基于卸荷岩体力学理论,采用数值模拟方法,构建了考虑断层的库岸边坡模型,对不同工况进行模拟分析,综合计算所得的应力、变形和塑性区分布,对边坡的整体稳定做出评价。结果表明:边坡在蓄水叠加地震工况下最不稳定,地震工况第三主应力拉应力值最大,为1.324 MPa;蓄水和开挖使边坡岩体参数劣化,对塑性区范围影响较大;地震作用对塑性区深度影响较大,且塑性区易沿着较弱材料的展布方向扩展,蓄水和开挖对岩体产生的劣化作用放大了坡体对地震作用的响应;最不利工况中塑性区面积较开挖工况增大了2.2倍;强度折减法计算出的贯通面主要分布在断层内部、断层与断层之间岩体、断层与坡脚及坡顶之间岩体;开挖清除部分强风化层,提高了坡体的稳定性,蓄水叠加地震工况下稳定性系数最低,为1.59。

露天矿边坡开挖卸荷与孔隙水压力消散诱发地表沉降规律研究

本文通过理论分析结合数值模拟的方法对露天矿边坡因开挖卸荷与孔隙水压力消散诱发的地表沉降进行了计算分析,获得了两种因素共同影响下的露天矿边坡坡顶的沉降规律。发现开挖卸荷诱发的露天矿边坡沉降较为均匀,孔隙水压力消散则更容易诱发露天矿边坡的不均匀沉降。通过对理论模型计算结果、数值模拟结果及现场施工过程中的监测结果进行对比发现,计算结果与实际监测结果在沉降趋势及沉降量上均具有较好的一致性。研究成果对推动露天矿边坡沉降理论和数值模拟的实践应用有一定的参考价值。

复杂环境下引水隧洞开挖卸荷力学响应研究与支护评价

以深圳市铁岗-石岩水库清水隧洞为依托,通过建立引水隧洞三维开挖模型,对比分析不同围岩区段力学响应规律,并对支护效果进行评价。结果表明:无支护开挖时,初始开挖面竖向应力与位移在开挖后迅速增大,后趋于平稳,塑性区约为1.8倍洞径。沿轴线剖面的竖向应力在掌子面附近大幅度释放,位移曲线在掌子面附近收敛,塑性区约为1倍洞径。支护开挖时,围岩与支护结构相互作用,初始开挖面应力与位移均大幅度减小,最大降幅分别为34%和79%。沿轴线剖面应力与位移分别减小55.0%和71.1%,塑性区除少量分布在Ⅲ类围岩区段外基本消除。研究结果与实际工程数据一致,可为相似隧洞设计与施工提供借鉴。

开挖卸荷的瞬态特性研究

针对中、高地应力条件下的岩体爆破开挖,通过岩体开挖荷载释放过程的力学分析及卸荷持续时间的计算,提出并论证岩体开挖荷载的释放为瞬态卸荷的观点,认为在中、高地应力条件下,岩体开挖荷载的释放需要考虑荷载的瞬态特性及其动力效应。同时,对与分段微差爆破对应的分步开挖荷载、瞬态卸荷方式、开挖卸荷诱发围岩振动及节理岩体瞬态卸荷松动机制等关键问题进行讨论。最后,结合二滩和瀑布沟等高地应力地区水电站地下厂房开挖瞬态卸荷诱发围岩振动的实测资料及观察到的动力破坏现象,对所提出的观点进行例证。

基于开挖卸荷效应的地铁隧道施工过程数值分析

在地铁隧道实际施工过程中,围岩处于加、卸载的复杂变化过程中。隧道的开挖与支护过程是一个多步骤的、且上一步开挖都会对随后的各次开挖产生影响的复杂过程。依据地下工程问题的特点,即"先受力,后开挖,再支护",描述并模拟地铁隧道开挖卸荷效应下的真实施工过程。对地铁隧道施工中开挖卸荷效应进行详细分析,提出模拟地铁隧道开挖卸荷效应的四阶段模拟方法。以北京地铁8号线二期01标段西清区间隧道为工程背景,对地铁隧道盾构施工真实过程和开挖卸荷效应进行数值模拟与计算。分析开挖面支护力、支护时机、填充注浆以及考虑与不考虑开挖卸荷效应等因素对地铁隧道开挖与支护的影响,获得基于开挖卸荷效应的地铁隧道盾构施工的围岩–支护作用机制。

开挖卸荷对下卧初支隧道的纵向变形的影响研究

结合目前已有的分析方法,对下卧初支隧道的纵向变形进行了施工前的预测,并获得了不同的结果。但现场的监控量测证明了开挖卸荷导致下卧既有初支隧道的纵向变形出现了不同的时空分布规律,并印证了时空效应对下卧初支隧道纵向变形的影响是不容忽视的。基坑开挖卸荷的速度和方式是直接影响既有隧道纵向变形的关键因素之一。通过对下卧隧道纵向变形的实测数据分析研究,总结了实例工程的经验和教训,为今后的类似工程提供了参考。

黄土边坡开挖卸荷力学响应与破坏机理研究

开挖黄土边坡诱发的黄土滑坡频繁发生,对黄土地区的工程建设产生了极大的威胁,严重阻碍了各种基础设施建设的推进,认识开挖卸荷过程中黄土边坡的力学响应机制及变形破坏过程,是对此类型滑坡进行防治的前提条件和重要依据。基于此,开展饱和黄土常规三轴剪切试验和卸荷路径下的三轴剪切试验(卸荷三轴试验),着重分析在两种应力路径下饱和黄土的力学响应及变形特征,并以兰州上洼子滑坡为例对其形成机制进行分析。研究表明:(1)在三轴试验中,相比于常规条件,侧向卸荷条件下,虽然孔压增长幅度较低,但卸荷导致侧向压力大大降低,因此孔压比快速增长,有效应力持续降低,对边坡的稳定更为不利;(2)侧向卸荷条件下试样达到峰值强度时所需应变更小(1%~2%),表明卸荷条件下边坡更易失稳破坏且具有突发性;(3)两种应力路径下饱和土体抗剪强度参数有显著差异,与标准三轴剪切试验相比,卸载三轴剪切条件下,c'值降低62.32%~76.92%,且接近于零,有效内摩擦角φ'值增大26.92%~29.77%;(4)采用FLAC-3D对上洼子滑坡进行数值模拟分析,选取侧向卸荷三轴剪切试验结果更符合土体真实应力路径,揭示了上洼子滑坡的破坏模式为"后退渐进式"。

开挖卸荷引起地铁隧道位移预测方法

目前越来越多的基坑工程位于已建地铁隧道之上或两侧 .近距离基坑开挖土体卸荷势必引起隧道的位移变化 ,因此如何预测和控制隧道变形、确保隧道使用安全日趋重要 .为此研究了处于软土基坑之下的地铁隧道的位移变化规律 ,分析了基坑工程中时间、空间效应对隆起的影响规律 ,提出了时间、开挖宽度影响系数 。

数值流形方法对岩土工程开挖卸荷问题的模拟

基于数值流形方法数学覆盖与物理网格的相对独立性,考虑任一时刻体系中真实存在的各平衡力项对体系平衡的作用,提出用数值流形方法模拟岩土工程开挖卸荷的方法。相对于传统数值方法,数值流形方法在模拟开挖时不用计算开挖面上的释放荷载,不用为卸除的材料部分准备专门的单元,简单的数学网格可以适应任意的开挖过程,使其对开挖的模拟更加简便和有效,同时高阶的流形方法对开挖问题具有较高的求解精度。

圆形隧道开挖卸荷效应的动静态解析方法及结果分析

针对地下圆形隧道的开挖卸荷效应,基于岩石动力学和弹塑性理论,在求解其动、静态显式解析解方面进行新的尝试。首先,探讨非均匀应力场中圆形隧洞开挖卸荷的力学模型,研究初始应力的分布规律以及卸荷过程的处理方法。基于Laplace变换和留数定理,给出一种计算隧道开挖时围岩响应规律动态解析解的方法,得到线性卸荷条件下围岩应力和位移的解析表达式。其次,考虑岩体的非线性硬化和软化特性,运用弹塑性解析法,推导出围岩应力和位移的静态解析表达式。对比分析动静态解析结果的差异,结果表明:(1)卸载阶段,惯性力的存在能减少开挖卸荷对围岩的破坏,保持围岩的完整性,故而在动态解析结果中,围岩的扰动范围小,位移小,应力集中系数低,但应力梯度较高。(2)动态解中,径向应力一直处于压缩状态,而切向应力先拉后压,有利于径向拉裂纹及层板结构的形成。(3)卸荷速率存在临界值,当卸荷速率达到临界值时,质点的振幅及频率都达到最大值。

岩石高边坡开挖卸荷松弛准则研究与工程应用

基于对卸荷松弛过程和机制的定性分析,提出了以岩石极限拉应变作为卸荷松弛的判别准则。通过对岩石极限拉应变室内试验资料与其抗拉强度之间关系的分析,并结合小湾工程卸荷松弛分析的成功实践经验,提出了极限拉应变值的取值原则,并明确了岩石边坡开挖后实际拉应变的计算方法。运用三维弹黏塑性加锚节理岩体流变模型,将该准则和计算方法应用于锦屏一级拱坝建基面开挖卸荷松弛的数值分析中,通过与实际开挖揭示和声波测试资料的对比,结果表明分析结果较为合理,为工程建设提供了有益的指导。

基于静力触探试验的基坑开挖卸荷单桩水平承载力损失预测研究

选取典型成层地基场地并设计试坑开挖卸荷试验,开展了基于静力触探(CPT)测试的基坑开挖卸荷单桩水平承载力损失程度预测研究。通过在试坑开挖卸荷前后进行CPT原位测试,得到了试坑开挖卸荷前后的CPT贯入锥尖参数变化规律。进而基于CPT测试p–y模型研究了基坑开挖卸荷前后邻近既有单桩的水平承载力损失及桩身弯矩分布特征。分别考察了基坑开挖卸荷后邻近桩基试桩加载模式下的残余水平承载力和桩顶加载联合土体位移共同作用下的卸荷桩基水平承载特性。研究表明,依据真实卸荷土体CPT参数更能准确预测桩基水平承载力损失程度及损失特征,卸荷桩设计阶段须同时考虑卸荷桩较自由场地桩基的水平承载力损失及土体运动位移对桩基水平承载的影响。以上研究为合理确定基坑开挖引起的既有桩基水平承载力损失提供了一种技术思路,同时对卸荷桩水平承载性能评价具有参考意义。

基于岩体开挖卸荷效应的岩爆机理研究

针对锦屏二级水电站深埋引水隧洞开挖卸荷引发的岩爆问题,通过数值模拟研究了洞壁围岩卸荷范围和卸荷程度对岩爆的影响效应。研究结果表明:随着围岩卸荷范围和卸荷程度的增大,潜在的岩爆动力源区逐步向围岩深部转移,发生岩爆的可能性进一步减小。相比较而言,围岩的卸荷程度比围岩的卸荷范围对岩爆的影响效果更为显著。研究成果为深部地下工程岩爆防治提供了理论依据。

开挖卸荷条件下单桩承载力特性的模型试验研究

基坑开挖卸荷会导致开挖段桩侧摩阻力缺失以及坑底桩周土围压减小,削弱桩基承载力。针对桩周土体开挖卸荷条件下的单桩承载力特性进行室内模型试验研究,通过模拟地面试桩和坑底试桩的竖向静载模型试验,分析单桩荷载传递过程,测试单桩极限承载力,研究桩周土体开挖卸荷对桩基承载力的影响。对比开挖卸荷前单桩的承载特性,开挖卸荷后桩顶及桩底沉降量均有增加,桩身轴力以及桩端阻力有所增大,模型单桩极限承载力下降。

地下洞室群开挖卸荷过程微震活动特征研究

猴子岩水电站地下厂房开挖跨度大,其上覆岩体构造和受力条件复杂,开挖卸荷过程围岩稳定一直都是贯穿工程始终的重点和难点问题。目前常规监测手段难以对地下厂房围岩内部可能存在的微破裂进行有效监测和揭示,为实时分析开挖过程地下洞室群围岩变形和稳定性,2013年4月在猴子岩水电站地下厂房安装了高精度微震监测系统,实现了开挖卸荷过程地下工程深部围岩微破裂实时定位和分析。监测结果表明:微震活动性时空演化规律可以很好地揭示地下厂房岩体内部微破裂萌生、发育、扩展、相互作用和贯通直至宏观变形机制;同时,微震监测可以随厂房开挖工况动态识别和圈定围岩微破裂集中区域及其潜在变形失稳风险区域。最后,借助物探检测声波测试成果,建立微震活动性与岩体质量之间的联系。研究结果可供猴子岩水电站地下厂房下阶段开挖与支护参考和借鉴,也为类似深埋地下工程围岩稳定性预测和评价开辟了一条新的思路。

注浆对开挖卸荷下既有地铁隧道竖向变形的影响

以北京金融街地下交通工程为背景,采用FLAC3D数值分析软件,选择不同的注浆范围,对注浆上方开挖卸荷引起的既有地铁隧道竖向变形的影响进行了分析,结果表明,注浆能有效控制既有地铁隧道竖向变形.结合既有地铁隧道竖向变形控制标准,得到了合理的注浆范围,经与实测结果对比,数值计算结果与现场监测数据相吻合,保证了既有地铁线路行车安全,并且为实际工程节省了造价.

分步开挖卸荷作用下软硬岩互层边坡的稳定性分析

以沪蓉高速公路某软硬互层边坡为例,基于开挖卸荷理论,采用FLAC3D软件进行数值模拟,研究分步开挖卸荷作用对软硬互层边坡稳定性的影响规律。结果表明:最大不平衡力、最大水平位移值、剪应变最大值随开挖步数的增加累积增大,最大值出现在开挖卸荷面软弱夹层剪出口位置,与开挖量呈正相关关系;每步开挖后瞬间会产生最大不平衡力"尖点",然后逐渐减小接近于零,边坡平衡;塑性区主要分布在软弱夹层位置,拉应力区分布于开挖卸荷面附近以及整体边坡的坡顶面附近20 m以内,且总体拉应力不大,低于灰岩卸荷后的抗拉强度;基于卸荷理论计算得到每步开挖后边坡的稳定性系数比不考虑卸荷对边坡岩体劣化作用的稳定性系数分别降低了0.07、0.08、0.102、0.106。综合分析得出软硬岩互层边坡稳定性的关键问题是开挖卸荷对软弱夹层力学性能的影响以及边坡面附近的拉应力区,开挖卸荷作用对岩体物理力学性能的劣化程度直接决定着边坡的稳定性。

考虑开挖卸荷影响的桩侧摩阻力等效计算方法

基坑开挖后的卸荷回弹会导致桩侧摩阻力减小,但这一影响仅局限于基坑底部一定深度范围内。在计算开挖后的桩侧摩阻力时,可将卸荷视为作用在坑底的均布上拔荷载。当荷载作用在地表以下,土体附加应力应采用Mindlin应力解。定义基于Mindlin解计算开挖后桩侧摩阻力与开挖前变化为5%时的深度为开挖影响计算深度Hc,开挖深度和宽度对Hc的影响明显,土体内摩擦角的影响较小,而泊松比的影响可以忽略。据此推导出Hc的计算公式。开挖卸荷导致的竖向附加应力,Boussinesq解求得的结果大于Mindlin解,但随着深度增加,二者差异逐渐减小。分别针对开挖深度、宽度和内摩擦角不同取值的216种组合进行计算,结果表明,Hc范围内基于Mindlin解求得的桩侧摩阻力与基于Boussinesq解结果的比值ω最大为1.124,最小为1.001。工程实践中为偏于安全,可直接采用Boussinesq解进行桩侧摩阻力计算。