富水砂卵石地层盆形冻结止水技术研究

为解决全断面砂卵石地层地下工程的地下水控制问题,提出盆形冻结止水技术。首先,采用三轴力学试验研究冻结砂卵石的压缩力学特性和蠕变力学特性;然后,采用大尺度物理模型试验和数值模拟方法研究盆形冻结的温度场扩展规律,并根据研究结果进一步提出盆形冻结积极冻结期的群孔布置技术和维护冻结期的精细化控制技术。结果表明:1)低围压(小于3 MPa)条件下,三轴抗压强度与围压呈正线性相关,然后围压继续增大时,强度基本不变;基于损伤理论建立冻结砂卵石全过程蠕变模型。2)荷载对冻胀率及融沉系数影响最大,细粒土质量分数次之,原状饱和砂卵石是不冻胀材料,并由此建立饱和砂卵石冻胀率及融沉系数三维预测模型。3)基于大型物理模型试验及数值模拟结果,盆形冻结可以在地下水渗流条件下形成完整的盆形结构,起到有效止水的效果。4)盆底冻结管在冻结过程中表现出与单管冻结迥异的“群孔效应”,根据试验结果提出包含冻结管间距、土体导热系数、渗流速度3因素的积极冻结期冻结管合理间距的确定与布置技术。5)为节约维护冻结期的能源,提出隔排切割冻结管、仅保留盆壁冻结管2种维护形式以对冻结区域进行精细化控制,经过分析,2种方式均可以有效满足盆形结构维护期的冷量供给,保持完整的盆形形态。

超近距箱涵顶进上跨既有地铁线路施工关键技术

以北京芙蓉路匝道箱涵顶进为工程背景,通过数值模拟、理论计算及现场监测等方法研究了箱涵顶进对既有地铁线路的影响。对工作坑支护、滑板施工、箱涵制作、箱涵顶进等施工要点进行把控,制订了科学、合理的防控措施。研究表明:箱涵顶进施工穿越既有地铁线对结构竖向和水平变形影响较大,顶推完成后结构变形呈椭圆形。采取“袖阀管注浆+非全嵌固桩”进行底板及基坑加固的方法可显著提高地基承载力,降低箱涵顶进对既有地铁线路的影响。

基于突变理论的深部煤柱稳定性

针对神华新街矿区盾构工法建设煤矿长距离斜井,研究了深部条件下保护煤柱的自身稳定性。研究发现,根据煤柱不同区域受力特征的差异性,可将其分成弹性核区和边缘塑性区,在此基础上建立了煤柱尖点突变模型,并经推导得到了煤柱的失稳判别公式。尖点突变模型可有效描述煤柱失稳演化的宏观过程。通过数值计算分析了深部盾构斜井保护煤柱在开采过程中的稳定状态。试验结果表明,随着煤层的开采能量缓慢释放,120 m煤柱自边缘向内部逐渐屈服,并在单侧出现4.5 m的塑性区。经公式判别,该工程中保护煤柱可以在深部开采条件下保持稳定,研究结果对相似工程中合理煤柱的留设提供了借鉴。

深厚软土区域水泥土强度影响因素与变形特征试验研究

针对深厚软土地区影响重力式水泥土墙强度的敏感因素如水泥标号、水灰质量比、水泥掺量、养护龄期等,通过室内试验得到了多因素耦合的强度变化规律,并结合水泥土墙变形分析提出了重力式水泥土墙变形控制的有效方法,为进一步研究深厚软土地区此类支护结构的适用性和优化设计提供参考。

三向受力条件下淡水冰破坏准则研究

为了更清楚地认识含冰冻结壁力学特性、解决复杂冰岩耦合问题以及给冰工程设计和数值仿真分析提供参数,有必要对冰在三向受力条件下的力学特性进行深入研究.以内蒙古自治区东胜煤田石拉乌素矿立井井筒建设为背景,参考现场水文地质资料在室内制作相似冰样,利用TDW-200低温冻土试验机,进行了4组温度和7组围压的人工淡水柱状冰三轴压缩强度试验,加载速率为0.5 mm/min,加载方向垂直于冰的晶轴方向.结果表明:在恒定温度条件下,柱状冰随围压增大塑性增强,而恒定围压条件下,柱状冰随温度降低脆性增强;在试验温度范围内,淡水柱状冰和多晶冰强度均随围压、温度升高而增大,但同条件下柱状冰强度高于多晶冰;采用D-A模型、Teardrop模型解释了高压下偏应力与围压之间的非线性关系,从不同角度对拟合得到的破坏准则综合考虑,认为D-A准则更适合用于描述淡水冰的破坏特征.研究结果可为后期同条件冰-岩耦合、数值模拟研究提供参考.

初始压应力场对爆生裂纹行为演化效应的实验研究

采用自主设计的动静组合加载系统,实现了在模型试件中产生静态应力场和爆炸动应力场,并对动静组合应力场中爆生裂纹的扩展行为演化特征进行焦散线实验研究,探讨初始应力场对爆生裂纹扩展规律的影响效应。通过对四周施加均布载荷和不施加载荷的两组试件进行实验,对比分析两组试件中爆生裂纹的扩展长度、速度和裂纹尖端动态应力强度因子随时间的变化规律,发现在垂直于裂纹扩展方向的压应力降低了裂纹尖端的应力集中程度,阻碍了裂纹的扩展,而平行于裂纹扩展方向的压应力对裂纹的扩展基本没有影响。

西北人工冻结红砂岩的动态时效损伤模型

为了研究西北人工冻结红砂岩的动态力学特性,采用SHPB试验装置对-15℃红砂岩进行单轴冲击压缩试验。对SHPB试验中5组有效数据展开分析,得到了5条不同应变率下的动态应力应变曲线。基于损伤演化及元件模型理论,将冻结红砂岩视为由具有弹性特性、损伤特性、塑性特性及黏滞特性的非均匀质点组成,建立了包含损伤体元件、黏壶及弹簧的时效损伤模型。研究发现:试件强度与平均应变率呈指数相关,当试件平均应变率较小时,试件的强度变化平缓,在高平均应变率下,试件强度急剧增大,当平均应变率为120.73 s-1时,应力峰值高达84.96 MPa,接近静态抗压强度44.1 MPa的2倍;时效损伤模型较好地反映了在一定范围内的冻结红砂岩应力应变关系。

冻结立井模型爆破振动信号的小波包分析

从能量分布特征角度研究爆破振动信号,以达到认识爆破振动危害并提出危害控制方法的目的。结合冻结立井爆破模型试验,获取冻结岩壁指定点爆破振动信号,采用db6小波基对爆破振动信号进行小波包分析,得到各信号不同频带能量分布,研究了高程差、等效距离对振动信号能量衰减规律的影响,利用量纲分析法建立了能量预测公式,并通过实测数据回归分析验证了其正确性。结果表明:各测点振动信号能量随着时间的变化表现为高频部分衰减快、低频部分衰减慢的特征;爆破振动能量分布范围广泛,主振频带较宽且由多个分振频带组成;随着高程的增加、传播距离的增大、能量有向低频集中的趋势;能量大小与药量成正比,与等效距离成反比;结论为鄂尔多斯盆地冻结岩层爆破能量衰减规律、安全性评价提供理论依据。

中兴矿沿空留巷工作面矿压显现规律研究

针对中兴矿沿空留巷工作面开展了矿压监测工作,通过分析液压支架工作阻力的变化和回采巷道的变形量,研究了工作面的矿压显现规律和二次采动巷道的变形规律。结果表明：工作面受二次采动影响巷道一侧的动载系数最大,达到了1.757,矿压显现最为明显;工作面两端周期来压持续时间较长,为中间位置持续时间的2.4～2.6倍,是周期来压影响的主要部位;工作面由于布置抽采巷而局部高度增加时,抽采巷附近区域周期来压现象不明显,会一直处于较高的顶板压力作用下,是工作面顶板管理的重点区域;回采巷道的两帮收敛量是顶板下沉量的2.28～3.38倍,帮部支护需要重点关注;沿空留巷采动影响剧烈区为工作面前方10m以内,采动影响区为工作面前方10～50m,该区域内工作面的矿压显现对巷道围岩变形起到一定的预示作用。

北京砂卵石地层盆形冻结的温度场扩展规律研究

地下工程盆形冻结止水结构包括位于开挖范围周围的冻结帷幕(盆壁)及开挖范围底部的水平冻结板(盆底)两部分。采用物理模型试验与数值模拟的方法,分析了北京典型富水砂卵石地层条件下盆形冻结在静水及0.5 m/d渗流条件下的温度场扩展规律。研究发现:盆形冻结技术作为冻结工法在市政工程领域的全新应用,对地下工程的施工区域能够有效起到冻结止水效果;盆形结构不同部位在不同的渗流条件会表现出不同的冻结交圈次序,静水条件下盆壁冻结管会先于盆底冻结管交圈,渗流条件下则依次是顺水流盆壁、盆底、背水面盆壁、迎水面盆壁,此时盆壁冻结是制约盆形冻结的关键因素,实际工程应重点关注盆壁冻结;冻结厚度是评价冻结效果最直观的指标,在静水条件下盆壁厚度趋于稳定,盆底水平冻结板厚度逐渐超过盆底冻结管长度且向盆内与盆外两个方向同时发展;渗流条件下,迎水面盆壁厚度最小,背水面盆壁由于绕流现象出现冻结锥体而局部厚度增大,盆底水平冻结板厚度仅向盆内单向发展。

荷载及细粒土含量对饱和砂卵石冻胀融沉影响研究

以北京典型饱和砂卵石地层为研究对象,研究了不同细粒土含量、荷载条件下饱和砂卵石的冻胀融沉特性。试验结果表明:有载条件下的饱和砂卵石试样冻结初期存在明显的冻缩阶段,冻缩量为试样高度的0.053%;冻胀率及融沉系数均与时间具有明显的指数相关性;相同细粒土含量条件下,饱和砂卵石融沉系数(细粒土含量大于10%)及冻胀率随荷载的增加而减小,荷载对细粒土含量小于10%的饱和砂卵石融沉系数影响微乎其微;相同荷载条件下,饱和砂卵石冻胀率及融沉系数随细粒土含量的增加而增大;荷载对冻胀率影响较大,细粒土含量次之,细粒土含量小于0.82%的无载饱和砂卵石是弱冻胀材料;建立了考虑细粒土含量、荷载影响的饱和砂卵石冻胀率及融沉系数预测模型。

新峪矿采空区下近距离巷道矿压特征研究

为研究采空区下近距离巷道的矿压特征,通过现场围岩变形监测分析了回采期间巷道的围岩变形规律,采用数值模拟的方法研究了巷道围岩应力的变化规律。结果表明:巷道的竖向收敛量是两帮收敛量的2.02~3.09倍;距工作面10 m的范围内,是采动影响的剧烈区,两帮在此区域受到的影响更为显著;巷道靠煤柱一侧围岩,竖向应力均呈现出一直增长的趋势,采空区的出现破坏了其下方围岩应力变化曲线的指数函数分布形式;上层采空导致了下层工作面的顶板不完整,支承压力作用明显减弱,影响范围仅为5~10 m,相比常规类型巷道,影响范围大大缩小;由于上层煤柱侧向支承压力的存在,帮部岩体易因受压膨胀而破坏,引起顶板整体下沉,采空区渗水会加剧铝质泥岩的底板隆起。

冻结饱水砂卵石蠕变损伤特性试验研究

以北京典型饱水砂卵石地层为研究对象,基于损伤演化及元件模型理论,引入弹性体、黏壶体及损伤体,建立了Ⅰ、Ⅱ类蠕变损伤模型,并通过-10℃条件下饱和砂卵石的三轴蠕变试验对该模型进行了验证。研究表明:当应力差较小时,蠕变主要以瞬时弹性变形为主,均大于该阶段总变形量的57.62%,随着应力差的增大,蠕变以非线性变形为主;蠕变进入加速破坏阶段的应变均大于7.16%;围压为0~0.3 MPa时,冻结砂卵石的长期强度在2~3 MPa,围压为0.6~1 MPa时,长期强度在3~4 MPa,冻结砂卵石的长期强度为瞬时强度的0.23~0.42倍;引入损伤体建立的蠕变损伤模型可以较好地反映冻结砂卵石的Ⅰ、Ⅱ类蠕变规律,可为工程设计及数值模拟提供理论基础。

基于小波包变换的爆破信号能量衰减特征研究

爆破振动监测及分析是研究爆破振动危害控制的基础和前提。本文以小净距隧道掘进爆破为工程背景,运用Matlab对爆破振动信号进行5层小波包变换分解,求得各节点重构信号小波包频带能量,对爆破振动信号的频带能量分布特征进行研究,并对总能量进行回归分析,提出总能量的衰减方程。结果表明:爆破振动信号的能量主要集中在低频带(0~300 Hz);爆破振动能量越高,衰减越快,且在同一时刻能量表现出高频部分衰减快、低频部分衰减慢的特征;随着距离的增大,能量有向低频集中的趋势;能量衰减系数近似为峰值速度衰减系数的2倍;在距离爆心0~30 m范围内能量衰减极快,在30~53.5 m范围内能量衰减趋于平缓,超过53.5 m以后能量微乎其微。研究结果对进一步研究高速公路既有隧道的动力稳定性具有重要的意义。

人工冻结红砂岩三轴压缩特征应力试验研究

为研究不同温度、围压条件下西北人工冻结红砂岩特征应力的变化规律,采用冻三轴试验机对红砂岩进行不同温度(-15℃、-10℃、-5℃及10℃)、不同围压(4MPa、8MPa及12MPa)试验,并对应力应变曲线各特征应力阈值进行统计分析。研究发现:起裂应力随温度升高先增大后减小,扩容应力及峰值应力均随温度的增大而降低;起裂应力、扩容应力、峰值应力均随着围压的增大而增大,起裂应力、扩容应力与峰值强度比值均随着围压的增大而减小;起裂应力与峰值强度比值分布较广,最低为0.373,最大为0.721,扩容应力与峰值强度比值均集中在0.9附近;可释放弹性应变能占应变能的69.79%~98.51%,耗散能较小,峰值点后,可释放弹性应变能急剧释放,耗散能急剧增大,试样最终破坏。

砂卵石地层多排管局部冻结的群孔效应与设计方法

针对富水砂卵石地层PBA车站施工止水的板梳冻结工法,采用基于物理模型试验建立的数值模型,分析研究了静水及渗流条件下多排管局部冻结的成形发展规律,揭示了此种冻结方式的“群孔效应”,认为群孔效应是指多排管冻结时,不同冻结管降温作用相互叠加加强的现象,并提出了富水砂卵石地层条件下整体均匀布置、边缘局部加密的多排管局部冻结的设计方法.同时分析了地下水渗流速度、冻结管间距、土体等效导热系数等对冻结整体交圈过程的影响规律.研究发现多因素中冻结管间距对冻结交圈时间影响最大,其次是渗流速度.

机械开挖边坡对临近既有隧道稳定性的影响研究

为了研究洞口边坡机械开挖过程中对既有隧道的稳定性影响,根据《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)确定监测方案,采用M20爆破振动测试仪监测各测点振动速度,并进行统计分析,研究各测点振动速度随施工进度的变化规律;通过数值模拟模拟洞口放坡机械开挖对既有隧道变形及围岩受力情况的影响。研究表明:与振源的距离越大,测点的振动速度越小,一般不超过0.71cm/s,振动速度主要在0.01cm/s至0.3cm/s之间,放坡机械开挖振动对既有隧道稳定性影响较小;由于放坡卸压作用,既有隧道整体有向开挖侧移动的趋势,但影响较小。

隧道爆破引起路基边坡振动信号的规律研究

为研究精细化延时控制爆破引起的边坡振动信号的规律,文章以黑峪隧道改扩建洞口精细化控制爆破施工为工程背景,引入等效药量、等效距离,采用量纲分析法建立新的振速衰减公式;基于4次实测数据,对其进行拟合验证,并与萨道夫斯基公式进行对比;采用小波包分析法,研究其振动能量的分布规律。结果表明:传统的萨道夫斯基公式对本工程的预测误差较大,高达27.39%,且普遍小于实测振速,不利于指导施工,而改进经验公式预测误差最大为18.41%,说明改进公式具有良好的适用性;爆破振动能量主要集中在0~109.375 Hz范围内,但在0~46.875 Hz范围的能量最为集中,大于109.375 Hz的振动能量只有1%左右;随着距离的增加,振动能量向低频部分集中,高频能量逐渐被岩体吸收。

人工负温高强混凝土动态力学特性研究

为研究人工负温早龄高强混凝土的动态力学特性,采用SHPB试验系统对-7℃不同龄期高强混凝土进行单轴冲击压缩实验,得到多组不同应变率作用下的动态应力应变曲线。研究发现:高强混凝土的强度具有明显的温度效应;标准及-7℃养护环境下,混凝土试块3d强度分别为单轴抗压强度的77. 4%、46. 7%;在低应变率作用下,负温混凝土脆性比较明显,中高应变率(大于30s^(-1))作用下,负温混凝土韧性增加,脆性降低;动态抗压强度、峰值应变具有明显的应变率相关性,三个龄期的峰值应变均在0. 002~0. 004;同一应变率及龄期的混凝土,其强度及弹性模量均随着受冲击次数的增加而减小,相反,其峰值应变变大。

隧道爆破引起喷射混凝土累积损伤研究

为研究隧道爆破引起喷射混凝土累积损伤变化规律,引入损伤因子,采用声波测试仪及爆破测振仪进行现场实测,对多次爆破的等效药量、等效距离、声速进行统计分析。研究发现:爆破引起喷射混凝土累积损伤随着循环次数的增加逐渐增大,该损伤具有不可逆性;4个循环爆破后,距离爆源较近的1号测点累积损伤最大,为0.274,大于规范损伤阈值0.19,但喷射混凝土并没有失稳破坏;距掌子面距离约20 m处,累积损伤约为0.05,振速及损伤出现拐点;测点与掌子面距离小于20 m时,损伤增量及损伤均较大;损伤增量及振速具有良好的幂函数相关性。建议加强距离掌子面20 m范围内的支护。