爆破作用下层状围岩隧道突变失稳判据研究

为判断爆破振动与损伤作用下层状岩体隧道的围岩稳定性,根据层状围岩失稳特征建立隧道力学模型,考虑爆破损伤和振动效应,构建层状围岩隧道系统总势能方程和突变失稳判据,分析爆破作用下层状围岩稳定性演化规律;并以沪昆高铁湖南段姚家隧道为工程背景,分析层状围岩隧道稳定性。结果表明:层状围岩隧道发生突变失稳的充要条件是满足分岔集方程,即当突变特征值Δ≤0时系统可能发生突变失稳;爆破累积效应造成围岩刚度不断降低,爆破药量增加提高爆破振动效应,这些均导致层状围岩失稳概率增加;实际隧道失稳评价结果与施工现场情况、监测结果一致,验证了失稳判据的有效性。

基于参数优化变分模态分解算法的列车振动信号分析研究

在地下空间施工过程中,由于监测环境的复杂性、监测传感器的误差和传播介质的反射等原因,列车振动信号中混杂着大量的噪声。为了对振动信号进行最大限度的提取,提出了一种基于参数优化的变分模态分解算法进行降噪处理。利用试算法确定惩罚因子α,中心频率法确定模态个数K,将原始信号进行变分模态分解获得多个本征模态函数。并通过均方误差及相关系数等指标去除噪声,提取有效信号,从而达到降噪效果。将VMD、EMD、EEMD 3种降噪方法对比分析,结果表明:VMD算法不仅能成功去除高频噪声,而且对低频信号分量影响较低,验证了该算法的可靠性和有效性。

既有地下结构水-土阻隔效应对基坑抽水引发地层变形影响机制

当基坑邻近既有地下结构时,基坑降水引发的坑外地下水渗流与地层运动均会受到地下结构阻隔(阻水效应与阻土效应);因此,在有/无邻近地下结构情况下,降水引起的基坑变形规律应是不同的。依托实际基坑工程开展了现场抽水试验,实测得到了基坑抽水引起的坑外不同含水层水位变化及围挡与土体变形规律;并基此建立了考虑邻近地下结构阻隔影响的基坑抽水三维流固耦合数值模型,以基坑与邻近地下结构间距D、基坑降水深度Hd为变化参数,探究了邻近地下结构阻隔作用对基坑抽水引发基坑变形的影响。研究发现:当基坑与既有地下结构间距较小时(如D<20m),地下结构对基坑变形的阻隔作用以阻土效应为主,减小了坑外地面沉降(相对于无邻近地下结构而言,以下类同);当基坑与既有地下结构间距较大时(D>20 m),地下结构对基坑变形的阻隔作用以阻水效应为主,增大了坑外地面沉降;而随着间距进一步增大(D>40 m),阻水与阻土效应均逐渐减弱,坑外地面沉降分布向无地下结构时的情况趋近。基坑设计时应考虑邻近已有地下结构阻水、阻土效应耦合作用的影响以更准确地计算地层损失与围挡侧移,从而更好地优化基坑支护方案。

下伏空洞桥梁群桩桩端岩层极限承载力计算方法研究

为探究下伏空洞桥梁群桩桩端岩层的承载机制和破坏模式,进行了单桩及不同桩数群桩的室内模型试验研究,得到了不同桩数群桩桩端岩层的极限承载力和破坏模式。根据下伏空洞桥梁群桩桩端岩层破坏模式的特点将破坏面分为两个部分,结合极限分析法提出了下伏空洞桥梁群桩桩端岩层极限承载力计算方法,理论计算值与室内试验值吻合良好,验证了计算方法的合理性。同时分析了桩端岩层极限承载力随桩数增加的变化规律,可为岩溶区桥梁桩基工程建设提供参考。试验及理论计算结果表明:(1)下伏空洞群桩桩端岩层发生整体冲切破坏时,破坏体整体可视为与单桩破坏体等效的大型墩基;(2)当桩间距较小时,群桩桩端岩层极限承载力随外围基桩外包络线长度增大而增加,当外包络线长度相同时,内部基桩布置方式对群桩桩端岩层极限承载力无影响;(3)群桩效应系数随桩间距的增大而增加,临界桩间距为5d~6d(d为桩径)。

岩溶区穿越溶洞桩基极限承载力及破坏模式试验研究

针对岩溶区穿越溶洞桩基承载机理及破坏模式相关问题,开展了穿越溶洞桩基极限承载力及破坏模式室内模型试验,揭示了桩基极限承载力随溶洞高度变化的规律,并将不同高度溶洞下桩基和溶洞顶板的破坏模式进行了分类。根据试验结果给出了穿越不同洞高溶洞桩基的桩身稳定系数Φ。最后对穿越不同洞高溶洞桩基极限状态下端阻分担比及穿越洞高为10d时桩基承载过程中侧阻及端阻分担比的变化曲线进行了分析,结果表明:1)溶洞顶板抗弯能力不足时,若桩-岩界面侧摩阻力较大,且顶板与周围岩体整体性好时发生固支板受弯破坏,整体性差时发生简支板受弯破坏,桩-岩界面侧摩阻力小时,发生剪切破坏或剪切与冲切的组合破坏。2)穿越溶洞桩基发生屈曲的最小洞高为6d,穿越小洞高溶洞桩基在单轴抗压强度小于桩端及桩侧极限阻力时发生桩身材料受压破坏,反之发生桩端基岩破坏。穿越大洞高溶洞桩基在屈曲失稳承载力小于桩端及桩侧极限阻力时发生桩身屈曲失稳破坏,反之发生桩端基岩破坏,且随着洞高增加,桩基屈曲失稳承载力大致呈线性降低。3)穿越溶洞桩基极限承载力取决于桩身材料强度、溶洞高度、桩周岩体强度等多种因素,桩身材料受压破坏、桩基屈曲破坏、桩端基岩破坏3者极限承载力中的最小值即为穿越溶洞桩基极限承载力。4)极限状态下,穿越溶洞桩基端阻分担比随洞高增大而减小,但减小幅度较小;穿越溶洞桩基桩顶荷载越大,端阻分担比越大,侧阻分担比越小。

加筋路基边坡筋土界面应变软化模型研究

土与土工合成材料之间相互作用机理的复杂性,使得通用计算程序中简单的接触面单元模型不能满足模拟界面非连续性变形的要求。为了模拟界面的位移-软化特性,通过ABAQUS中FRIC用户子程序二次开发平台纳入了界面非线性应变-软化本构模型。建立的直剪试验数值模拟验证了界面模型的有效性和可靠性。数值试验与理论计算结果非常吻合,表明该界面模型可以模拟土与土工合成材料界面的非线性位移软化行为。非线性应变软化界面模型在ABAQUS中开发的方法和实现过程为其他界面模型的开发提供了参考。

不同层理方位影响下板岩各向异性巴西圆盘劈裂试验研究

通过电镜扫描试验,发现板岩具有明显的变余层理构造和板劈理构造,因而可采用巴西圆盘劈裂试验揭示其力学特征。对7种不同层理角度下的圆盘进行劈裂试验,得到圆盘的3种破坏形式:<45°为纯拉伸破坏,=45°～75°为剪切拉伸破坏,>75°为剪切破坏。同时,板岩受内部层理构造的影响,其抗拉强度随值从0°变化到90°而逐渐降低;垂直于各向同性面的弹性模量和泊松比受层理角度影响不大,且前者比各向同性面的弹性模量值略小。

基于单弱面理论对板岩巴西劈裂试验研究

为了揭示板岩这种层状岩体抗拉强度的各向异性,笔者根据层状岩体巴西劈裂试验圆盘平面应力的弹性力学解析解,并结合单弱面理论,建立了不同层理角度θ与抗拉强度的关系式。通过对不同层理角度θ下的试件进行巴西劈裂试验,得到:随着θ从0°变化至90°,强度因子呈现两端大中间小的趋势;运用单弱面理论得到的强度关系式可以较好地反映出在含有层理面时巴西劈裂试验抗拉强度随层理角度变化的规律;当0°≤θ<25.2°或72.6°<θ≤90°时,属于纯拉伸破坏;当25.2°≤θ≤72.6°时,岩块受层理面影响,属于沿层理面剪切破坏。

横观各向同性岩石弹性参数及抗压强度的试验研究

为了揭示层状岩石力学特性的各向异性,对7种不同层理角度下的板岩进行单轴压缩试验,测出了板岩的弹性模量E和E′、泊松比ν和ν′以及剪切模量G′,并运用单弱面理论分析单轴抗压强度和破坏形式与层理角度之间的关系。研究结果表明板岩压缩破坏存在2种形式:当0°≤<10.5°和87.0°<≤90.0°时,板岩从内部发生压缩剪切破坏,剪切面粗糙不平;当10.5°≤≤87.0°时,板岩沿层理面产生滑移破坏,表面较光滑。板岩受内部层理构造的影响,随着从0°变化到90°,抗压强度呈现两端大中间小的趋势,视弹性模量Eθ以及视泊松比νyx和νyz由小变大。

基于声发射实验层状砂岩力学特性及破坏机理

为了探究层理面影响下砂岩力学特性和破坏机理,采用声发射技术,开展砂岩单轴和巴西劈裂试验,研究砂岩拉压强度分布规律、应力应变关系、破坏形式与声发射之间的关系。研究结果表明:随着层理角度从0°增加至90°,砂岩单轴抗压强度先减小再增大,呈U型分布,而劈裂拉伸强度呈增大趋势;砂岩在单轴和劈裂试验下应力应变曲线具有明显的各向异性;在单轴试验下,当层理角度为0°,15°,75°和90°时,砂岩破坏形式为压缩破坏,当层理角度为30°,45°和60°时,砂岩破坏形式为沿弱面剪切破坏;在劈裂试验下,圆盘均沿着中心起裂破坏形式为拉伸破坏;随着层理角度从0°增加至90°,在单轴和劈裂试验下,裂纹发展所对应的轴向应变率降低,裂纹贯通困难,破坏所需峰值应力增大;峰值应力越大,对应的声发射能量率越大。

上软下硬地层矩形隧道掌子面突变失稳判据

上软下硬地层中浅埋矩形隧道掌子面失稳具有明显的非线性突变破坏特征,表现为地表沉降变形的不确定性、本构关系的非线性及破坏发生的突变性。在分析上软下硬地层矩形地铁隧道掌子面力学模型的基础上,建立了上软下硬地层矩形隧道掌子面失稳尖点突变模型,提出了利用地表沉降数据的突变失稳判定方法。将突变模型应用于长沙轨道交通5号线火炬村站出入口隧道施工中,结合地表沉降监测数据,判断掌子面稳定性。结果表明:隧道地表沉降变形曲线与尖点突变模型具有良好相关性,稳定性分析结果与实际情况吻合较好。

上软下硬砂砾地层地铁通道施工技术比选

针对上软下硬砂砾地层地铁通道施工的复杂性,依托长沙市轨道交通5号线火炬村站通道施工,从适用性、工期和造价3个方面对比分析了暗挖法、矩形机械顶管和人工顶管法在上软下硬砂砾地层隧道施工中的优缺点,综合考虑各因素确定了人工顶管法施工。详细分析了人工顶管法施工技术,通过现场实践验证了人工顶管法在上软下硬砂砾岩地层施工的有效性,在保证城市道路路面安全的前提下顺利完成了地铁车站通道施工。

横观各向同性岩体内时损伤本构模型研究

层状岩体一般视作横观各向同性体,其力学特性在不同的层面倾角下存在较大的差异。为了解决这一问题并研究层面倾角与力学特性之间的内在联系,引入横观各向同性体体积模量和剪切模量与层面倾角的函数关系式。从内时理论出发,通过内蕴时间的重新构造,在Helmholtz自由能中引入损伤变量,利用不可逆热力学的基本原理推导出横观各向同性岩体的内时损伤本构方程,并给出确定本构模型中各参数的方法。对该方程在单轴应力条件下进行求解、分析与验证。研究结果表明:该本构方程能很好地描述横观各向同性岩体在损伤发生前后的变形特点,并能有效地反映横观各向同性岩体的非线性和剪胀扩容等物理力学现象。

基于Hoek-Brown准则对板岩抗拉强度研究

板岩等层状岩体中常存在多种结构面,岩体的抗拉强度在不同的层面倾角下会有较大的差异。为了揭示板岩这种层状岩体抗拉强度的各向异性,基于Hoek-Brown强度准则,结合巴西圆盘平面应力的弹性力学解析解,推导了圆盘随层理角度β变化的抗拉强度公式。通过对不同层理角度β下的试件进行单轴和巴西劈裂试验,获得了抗拉强度公式中的参数,得到了板岩抗压强度各向异性度cR为3.94～4.87,抗拉强度各向异性度tR为2.86～3.15,且抗压(抗拉)强度呈现两端大中间小的趋势。此外,该抗拉强度公式能较好地反映板岩在含有层理面时强度随β变化的规律。

层状板岩动静拉伸力学特性及破坏模式研究

为探究层状板岩动静拉伸力学特性和破坏模式,以SHPB系统和RMT-150C岩石压力机为研究手段,进行层状板岩拉伸强度和破坏模式随加载率和层理面与加载方向不同夹角变化的规律研究。研究结果表明:随着加载率的增加,不同层理角度下板岩动态拉伸强度均呈现非线性指数增长的趋势;当层理角度θ为0°时,动态拉伸强度处于低强度区间,破坏形式为沿层理面拉伸破坏;当层理角度θ为15°,30°和45°时,动态拉伸强度处于中等强度区间,破坏形式为沿层理面剪切破坏和沿非层理面拉伸破坏;当层理角度θ为60°,75°和90°时,动态拉伸强度处于高强度区间,破坏形式为沿非层理面拉伸破坏。随着加载率的提高,板岩强度各向异性系数N逐渐降低,并趋近于1;当加载率超过600 GPa/s时,拉伸强度主要受加载率的影响;加载率低于600 GPa/s时,层状板岩的拉伸强度受角度和加载率共同影响。

冲击荷载下层状板岩拉伸破坏及能耗规律研究

为探究层状板岩动态破坏机理及能耗规律,通过分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar)系统和高速摄像仪开展了巴西劈裂试验。研究了不同层理角度和加载率下板岩动态拉伸能量耗散规律以及岩体破坏模式、破坏过程与能量耗散之间的关系。通过研究得到如下主要结论:(1)随着加载率的提高,板岩动态拉伸强度和耗散能密度均呈现指数增长的趋势;(2)当层理角度θ为0°时,岩体主要是沿层理面拉伸破坏,破裂面形成破裂带,耗散能低;当层理角度θ为15°时,破裂面为剪切破裂带,而θ为30°和45°是拉剪复合破坏,两者耗散能较高;当层理角度θ为60°、75°、90°时,岩样主要是沿非层理面拉伸破坏,破裂面形成环状和中心起裂两种,耗散能最大;(3)随着加载率的提高,岩体耗散能密度越大,岩体吸收的能量越多,分形维数D值越大,岩体越破碎。

岩溶地区陡峭岩质高边坡动力稳定性分析

以长沙冰雪大世界矿坑工程为例,采用现场测量和室内数值分析相结合的方法,展开了对陡峭岩质高边坡动力稳定性的研究,研究结果表明:(1)边坡爆破开挖下,无溶洞相比有溶洞坡顶沉降小;(2)边坡爆破开挖下,边坡内溶洞直径越小,边坡的稳定系数越高,边坡越稳定;(3)溶洞距离爆破坡面越远,边坡稳定性越好,但超过一定范围对边坡稳定性无影响;(4)若溶洞正好穿过滑动面,不利于边坡爆破开挖的稳定,边坡稳定系数会降低。

基于有限元强度折减法对深路堑边坡施工工序优化研究

边坡的开挖、支挡施工顺序对边坡的稳定性有较大影响.本文通过使用有限元强度折减法对深路堑边坡的不同施工方案数值模拟分析.结果表明,由上至下台阶法开挖,且开挖一级,支护一级的稳定性最高.经过对不同施工方案的对比分析后,达到对施工工序优化的目的.

岩溶地区桥墩桩基钢护筒变形加固处治技术

本文以大王山矿坑工程中桥墩桩基钢护筒变形事故为研究背景,通过理论分析与现场实际相结合,展开了岩溶地区桥墩桩基础钢护筒变形处治与力学分析研究,其主要研究结论如下:(1)桩钢护筒变形处理采用气切割钢护筒和千斤顶孔内校正变形法,并以内支撑、C30高流态混凝土填充、注浆加固辅佐;(2)型钢内撑采用80 mm×80 mm×2.5 mm矩形钢管,环向布置分为3个三角形,竖向设置间距以0.5 m为最优;(3)桩周预埋8根注浆小导管以及4根小导管向上倾斜插入溶洞内注浆,注浆加固效果明显;(4)气切割法逐层切割,每层切割高度50 cm,环向划分为3块进行切割,并用2 cm厚钢板弯制成2个半圆,焊接封闭成环。本项目研究内容可为类似工程提供理论和实践支持。

层状岩体中隧道稳定性数值分析

对层理板岩进行不同加载角度的巴西劈裂试验,获得不同层理方向板岩试件计算抗拉强度。通过FLAC3D数值模拟巴西劈裂试验标定了板岩层理构造的强度参数,并用于层状岩体中隧道稳定性数值计算。通过数值模型对不同层理方向层状岩体中隧道稳定性、围岩松动区范围及失稳关键部位进行分析,对深入理解层状岩层中隧道失稳机理以及合理加固与监控量测等工程应用具有重要理论及实践意义。