基于响应面分析的淹没水射流破土施工参数优化设计

针对水射流破土过程中射流孔深度及径宽难以确定的问题,以圆柱形喷嘴为研究对象,基于拉格朗日-欧拉流固耦合算法建立了淹没水射流破土的有限元模型,并通过室内实验验证了该有限元模型计算结果的准确性。基于响应面法建立了射流孔深度与径宽的预测模型,分析了喷嘴直径、射流靶距和射流压力3个因素及其交互作用对射流孔深度及径宽的影响规律,结合满意度函数对破土施工参数进行优化。结果表明:当选取特定破土深度(10 cm、15 cm和20 cm)时,较大的射流压力(7.2 MPa)、较小的射流靶距(1 cm)及合适的喷嘴直径(0.928 mm、1.164 mm和1.345 mm)可最大程度地保证射流孔的稳定性。针对特定目标破土深度,优化后的射流孔深度及径宽的预测值与实验值的误差均小于15%,表明预测结果合理可靠。

基于ALE算法的水射流破土特性

为探究水射流破土过程中射流参数对破土特性的影响,通过拉格朗日-欧拉方法(Arbitrary Lagrange-Euler, ALE)流固耦合算法建立了淹没状态下水射流破土的数值模型,开展水射流破土的室内试验验证了数值计算结果的准确性。基于数值模型分析不同射流速度和靶距下冲蚀深度与体积的变化特征,探讨射流参数对破土特性的影响机制。研究结果表明:水射流破土形成的冲蚀深度随着射流速度的增大而逐渐变大,且随着射流时间的增加会呈现线性增长、缓慢稳定增长和稳定三个阶段;靶距越大冲蚀深度越小,但冲蚀体积受射流速度的影响较大,在低速时冲蚀体积随靶距的减小而增大,而在高速时冲蚀体积则会先减小后增大再减小;基于试验结果分析敏感性可知射流速度对冲蚀深度与体积的影响程度要大于靶距。

基于P-Q-t特征的隧道注浆动态控制方法研究

采用注浆法可以有效预防突水、涌泥、塌方等地质灾害,保障地下工程结构的安全和稳定。分析注浆压力与注浆流量变化特征,明确二者与被注地层及浆液的时变特性存在明显的对应关系;建立在实际注浆工程中五种常见的P-Q-t特征信息模型及其对应的特殊工况,提出相对应的实时处理措施,初步建立了注浆工程P-Q-t特征信息数据库;并提出了基于P-Q-t特征信息模型的实时注浆控制方法,为解决注浆工程中的“黑箱”问题提供了理论支撑。

基于数值模拟和模型实验的注浆抬升计算方法

针对城市浅埋地下工程注浆施工造成的地表抬升问题,根据随机介质理论建立注浆抬升计算方法及简化算法,分别研究压密注浆与劈裂注浆对地表抬升的影响机制.通过PFC软件模拟、室内模型实验等方法,研究球体压密注浆和水平片状劈裂注浆对地表抬升范围的影响,验证地表抬升位移理论预测方法的准确性.通过引入注浆抬升系数γ研究注浆深度、土体干密度、土体含水率等因素对注浆抬升位移的影响.结果表明,注浆抬升计算方法的简化方法在注浆埋深大于2m时较为准确,小于2m时不适用;压密注浆和劈裂注浆两种注浆方式引起的地表抬升与数学模型计算结果、数值模拟结果吻合性较好;单孔注浆使上覆倒锥形土体位移场发生变化,压密注浆导致的地表最大抬升位移较大,劈裂注浆在地表的影响范围较大;注浆深度、土体干密度及土体含水率对最大注浆抬升位移量均有影响,注浆深度对抬升位移量的作用最明显.

非均质断层破碎带注浆扩散机理

断层破碎带是诱发塌方、突泥等地质灾害的重要构造因素,但针对断层治理的注浆理论与技术研究进展缓慢。依托永莲隧道F2断层突水突泥灾害注浆治理工程,分析断层破碎带介质特点并划分介质类型,进而建立注浆概念模型;分别建立3种介质注浆控制方程研究3种类型介质条件下注浆扩散规律;通过注浆试验模拟非均质断层破碎带注浆扩散过程,基于浆脉分布情况与注浆压力、介质应力变化规律,分析了注浆扩散过程规律。结果表明:由于成分与密实度的差异,断层破碎带介质可分为松散型、软弱型与密实型3种介质,3种介质中浆液分别以渗透、压密、劈裂等扩散形式为主。易压缩且结构面数量较多的介质更利于浆液的扩散;密实型介质中劈裂扩散范围与介质结构面数量呈正相关,与压缩模量、注浆速率呈负相关。非均质断层破碎带注浆扩散过程可分为优势充填与劈裂扩散两个阶段,注浆压力变化曲线由缓慢上升至陡降的突跳点,即两阶段分隔点;优势充填阶段主要发生在松散型与软弱型介质中,注浆压力上升慢,浆液集中扩散;劈裂扩散阶段注浆压力上升较快,主要发生在密实型介质中。针对松散型与软弱型介质形成的不良地质区,提出定域注浆控制技术,并在永莲隧道突水突泥灾害治理工程中应用,取得了良好的注浆治理效果。

水泥浆析水性能试验研究

分别开展了水泥浆在重力和压力作用下的析水试验,研究了不同水灰比(mW/mC)条件下水泥浆的析水过程,获得了水泥浆析水对浆液密度和黏度等物理力学性能的影响规律,分析了重力和压力作用下试验结果存在差异的原因;同时结合土体线性压缩劈裂注浆扩散公式,分析了析水作用对注浆扩散范围的影响.结果表明:水泥浆极易发生析水,且析水率高,析水速率快,当mW/mC≥1.5时,析水率达40%以上,造成水泥浆密度和黏度值显著提高;当mW/mC≥1.0时,水泥浆密度值提高10%以上,黏度增大3倍以上;若不考虑水泥浆析水特性,会显著低估其扩散阻力,导致注浆扩散范围计算结果偏大、注浆压力计算结果偏小.

一种均匀黏性土黏聚力计算方法

黏聚力是黏性土的重要力学性能参数,土的密度、孔隙比是影响黏聚力的重要因素,但密度、孔隙比变化时土的黏聚力难以估算。作者依据固体颗粒分子吸引力理论,研究了均匀黏性土黏聚力随孔隙比及干密度的变化规律。以颗粒均匀的黏性土为研究对象,将土体简化为由土颗粒与粒间孔隙2个部分、依靠土颗粒间吸引力连接而成的整体,将黏聚力简化为单位面积上土颗粒间吸引力的合力;基于此,提出均匀黏性土孔隙结构模型,推导了土颗粒净距与土体孔隙比的函数关系,分析了土颗粒净距随孔隙比的变化规律。根据Lifshitz固体颗粒分子吸引力理论,建立了均匀黏性土黏聚力与干密度、孔隙比之间的函数关系,据此提出一种考虑密度、孔隙比变化的均匀黏性土黏聚力计算方法。通过均匀细粒土的直剪试验测得了不同含水量下的黏聚力,将理论计算结果与直剪试验结果相对比,验证了所提黏聚力计算方法的合理性。结果表明:均匀黏性土颗粒净距与孔隙比正相关,但随孔隙比增大,其对土颗粒净距的影响逐渐减小;黏聚力与干密度正相关,与孔隙比负相关,且随干密度的增大,其对黏聚力的影响更加显著。

超小净距隧道土质中隔岩柱稳定性分析

随着基础建设的发展,我国已在市政和公路工程中相继建成一些小净距隧道,但在施工过程中左右洞和中隔岩柱的相互影响往往难以控制。其中,对超小净距隧道研究较少,且关于土质中隔岩柱的研究也不多见。本文以济南顺河高架南延玉函路超小净距隧道为依托,主要利用数值模拟的方法,研究土质中隔岩柱注浆预加固前后应力、位移及塑性区的变化规律,并结合现场监测数据进行对比分析,以对施工提供重要的指导意义。

隧道围岩影响突泥灾害的数值模拟研究

随着我国隧道与地下工程修建数量越来越多、地质条件日趋复杂,在修建过程中遇到不良地质情况不可避免。隧道发生的突泥灾害是我国隧道建设过程中重要的待解决问题之一。以已有数值模拟方法为基础,运用有限元方法对围岩情况如何影响突泥进行了数值模拟,研究分析了围岩情况对隧道突泥的影响,通过分析得出围岩情况变差、围岩渗透性变大时,突泥灾害发生的几率将会变大,并将研究结果应用到工程实践中,对工程施工起到重要的指导作用。

层次分析法在隧道加固方案比选中的应用

吉莲高速公路永莲隧道多次突泥突水后严重影响施工,为保证围岩稳定性、避免结构继续破坏失稳,现已拟定水平旋喷桩加固和帷幕注浆加固两种方案,经过专家会上的不断探讨,初步确定两种方案均能治理此灾害,为进一步确立何种方案更优,利用层次分析原理结合相应的工程经验和理论知识进行方案比选,最终选定帷幕注浆加固方案。

基于透明土的隧道突泥破坏特征试验研究

为探究不同致灾介质和地下水体量条件下隧道突泥灾害的灾变机制,利用透明土材料开展了全可视化突泥室内模拟试验,并利用PFC-CFD方法开展数值模拟试验对室内试验结果进行验证。论证了透明土材料用于岩土室内试验的可行性,克服了传统突泥试验的"黑箱"问题,分析了隧道突泥灾害的破坏形态,提出了刻画灾害破坏形态的抛物线旋转体形态模型;研究了介质内部位移场演化规律;发现了突泥扰动区,探究灾害真实影响区域的变化规律,最终从灾害的破坏形态、演化过程和影响区域等破坏特征角度揭示了隧道突泥灾害的灾变机制。研究结果表明:突泥灾害的破坏形态呈明显的抛物线旋转体状,且致灾介质和地下水的体量对灾害破坏形态的形态类型无影响。除因介质涌出形成直接破坏区外,突泥灾害还导致未突出介质中形成扰动区,破坏区和扰动区联合构成了灾害真实影响区;破坏区和扰动区均随致灾介质和地下水体量的增加呈扩展趋势,但破坏区范围受致灾介质体量影响显著,而扰动区范围则受地下水体量影响显著;突泥灾害演化过程分为介质启动运移、临空面形成、介质整体迁移和灾害渐停4个阶段,灾害过程中突泥量依次呈现启动、加速、缓慢和稳定的时变特征,突泥口应力呈现急剧上升、持续波动、缓慢下降的演化特征。

基于有限元模拟的隧道衬砌安全性研究

衬砌在隧道外水压力作用下的受力状态及承载能力等相关问题愈发突出。本文以运营中的江西南石壁隧道作为研究对象,运用荷载结构模型及有限元手段,选取两个不同围岩等级断面的衬砌,分析其在不同水压下的受力状态及进行安全系数计算。根据计算结果:在不同水压作用下,衬砌轴力均为压力,由拱顶至仰拱逐渐增大,墙角处正弯矩最大,受偏心荷载严重,安全系数与其他位置相差很大,最容易产生受拉破坏。在水压增大的情况下,Ⅲ、Ⅳ级围岩断面衬砌各处安全系数差距有所减小,需要采取措施控制壁后水压。