深埋高温硐室围岩开挖损伤规律研究

深部工程的高地应力与高地温问题将对地下资源开采和空间利用构成严峻挑战。通过建立深埋高温硐室爆破–卸荷–降温全过程的数值模型,并嵌入率相关岩石本构关系反映钻爆开挖和通风降温过程中的岩体动静态力学响应,分析了不同地应力条件下围岩开挖损伤的时空演化规律。计算结果表明:围岩在动态开挖过程中会由于爆破、卸荷或两者的共同作用产生初始动力损伤,而硐室通风冷却过程所诱发的热应力将在保留岩体中造成额外的热力损伤。在静水应力条件下,围岩动力损伤随地应力量级的提高表现出先减弱后增强的演化趋势,降温损伤则随地应力的上升而单调增大。在非静水应力条件下,硐室拱顶和拱腰附近岩体的动力损伤将随侧压力系数的增大而分别表现出先减小后增大和单调增大的演化趋势;在通风冷却阶段,应力水平较低的拱腰附近未产生显著的热力损伤,而拱顶围岩的热力损伤则随侧压力系数的提升而逐渐增强。

基于侧压力差异性的深部巷道多场耦合规律分析

为综合分析某深部巷道在侧压力差异性下围岩能量场、应力场及位移场之间的影响特征,为后续施工提供理论指导,考虑4种侧压力系数(κ为0.6、0.9、1.2和1.5),采用三维建模软件Rhino进行基本网格建模,再映射至颗粒流离散元软件PFC3D进行数值模拟分析。结果表明,1)κ的差异性使围岩应力场发生变化,应力场带动颗粒的运动状态改变,从而进一步影响系统能量场:当κ从0.6增至1.5时,动能增至原来的3.8倍,应变能增至原来的2.6倍;开挖完成后同水平κ下动能衰减至初始值的2%~23%,应变能则衰减至初始值的80%~90%。2)根据κ对围岩应力场影响程度的不同,将围岩分为浅、中、深3部分,其与开挖巷道的扰动区相对应,应力场变化呈现按照深部岩体、中部岩体、浅部岩体依次增大的现象;随着κ的增大,围岩应力场中主导应力改变,体现出拱腰应力变化幅度大于拱顶与拱底的现象,其最大绝对变化量为52%。3)位移场与应力场变化相对应,当κ的差异性导致应力场发生变化时,围岩主导应力状态将会不同,具体表现为随κ的增大,拱顶、拱底竖向最大位移减小及云图中水平扰动区范围增大。

土木工程研究生课程思政建设的思考与实践

土木工程专业课程是高校课程体系中的重要组成部分,将思政元素融入土木工程研究生的教育,对培养工程技术过硬又兼具工程伦理思维的优秀土木工程师具有重要意义。从土木工程研究生对课程思政的客观需要出发,提出了土木工程研究生思政教育要深化立德树人教育理念、突出实践教学的意义、注重社会责任教育和个性化教育的实践路径,并基于现状也提出了优化方法。这对建立健全研究生课程思政育人体系提供了宝贵的经验,也为相同类型的工科专业课程改革提供了全过程教学体系的思路。

基于GPU加速随机场的洞室变形破坏特征研究

洞室围岩参数一般具有很强的空间变异性,本文研究了岩体参数随机空间分布对围岩稳定性的影响。提出了基于协方差矩阵分解和GPU加速的空间随机场生成方法,建立将随机场与高级应变软化模型参数的映射,对比不同条件下随机场的变化以及对后续模拟开挖的影响。结果表明:指数型相关函数生成的随机场较为稳定分散,其最大位移值变化范围较小;平方指数型相关函数生成的随机场更为紧凑,最大位移值波动范围较大,偶然出现较危险的位移;对比X,Y相关长度可以发现,最大位移点的分布是相似的,开挖过程中洞室两侧中部、底部和拱顶是危险区域,损伤位置主要集中在洞室侧墙、拱顶交接处和侧墙中部。

地下水封洞库围岩块体失稳矢量分析方法研究

基于对某地下水封洞库库区详细的地质调查和研究,运用块体理论评价围岩块体稳定性。采用块体理论分析方法之一的矢量分析法,分析出地下洞库各开挖面的可动块体,通过力学分析判别出可动块体中的关键块体,计算出其剩余下滑力和失稳形式。结果表明:此地下水封洞库稳定性较好,关键块体主要以结构面②、④单面滑动,且主要分布于洞室顶部。因此施工时应重点监测结构面②、④出露处,同时通过分析研究发现矢量法作为块体理论一种分析方法,能准确分析围岩块体稳定性,对地下水封洞库围岩稳定性评价具有一定的意义,但其在确定关键块体的具体位置,以及对于曲面洞壁块体稳定性分析均有待于进一步完善研究。

基于稳定性演化路径的反倾斜坡变形演化特征研究

从稳定性演化路径角度分析反倾斜坡倾倒变形演化特征。首先,在现场工程地质调查与勘察资料分析的基础上,构建反倾斜坡稳定性评价模型,利用Sarma法计算反倾斜坡稳定性系数;然后,通过变化倾倒条块数和倾倒角度,插值得出反倾斜坡稳定性响应云图,分析稳定性演化路径及对应的变形演化特征;最后,分析库水等外因作用下反倾斜坡稳定性演化路径变化规律。结果表明,反倾斜坡倾倒变形前期变形方式表现为以倾倒条块数增加为主,条块倾倒倾角增加较缓慢;进入拐点后,其变形将发生较明显转变,表现为倾倒条块数和倾倒角度同步快速增加;库水等外因对反倾斜坡稳定性降低较明显,但对稳定性演化路径的改变较小。

乌鲁木齐地铁隧道互层岩体力学特性及几何特征因子敏感性模拟

为研究地铁隧道中软硬互层岩体力学特性及破坏机制,本文首先在乌鲁木齐泥岩、砂岩物理力学参数获取的基础上,对互层岩体物理力学参数进行微观参数标定,然后通过颗粒流数值模拟单轴压缩试验,分析互层岩体层厚、层厚比、岩层倾角作用下互层岩体强度响应规律及裂纹变化。分析结果表明:随着互层岩体层厚的增加,其单轴抗压强度在降低,裂纹数量也在降低,裂纹发展速度加快;随着互层岩体层厚比的增加,其单轴抗压强度在不断降低,在层厚比大于1时单轴抗压强度的变化相对稳定,且层厚比小于0.6时裂纹发展趋势较为快速,层厚比大于0.6时裂纹发展趋势较为缓慢;互层岩体岩层倾角的增加使单轴抗压强度的变化大体呈U字形变化趋势,40°时单轴抗压强度最低,90°时裂纹数量最多,发展趋势最为缓慢;由正交试验分析得出层厚比对单轴抗压强度敏感性最大,并分析得出了最优组合;最优组合为:层厚6 cm、层厚比0.1、岩层倾角0°。

基于地质几何分区的反倾边坡倾倒变形特征

为研究反倾边坡倾倒变形分布区域几何特征,以重庆硝洞槽岸坡为研究实例,首先在现场工程地质调查分析基础上,采用Arc GIS进行岸坡地质几何分区;然后对地表离散位移监测数据采用距离反权重插值法得出岸坡倾倒变形位移云图;最后叠加地质几何分区与位移图层,得出岸坡倾倒水平和垂直强变形分布区几何特征。研究结果表明:(1)岸坡地质几何分区中面积最大分区为211,即中等坡度、低高程、北坡向区;(2)岸坡水平强变形最大面积区为211,即中等坡度、低高程、北坡向区,占该区总面积的79.24%,岸坡垂直强变形最大面积区为137,即低坡度、高高程、西北坡向区,占该区总面积的87.9%。

乌鲁木齐地铁隧道互层围岩损伤演化规律模拟研究

为了研究乌鲁木齐地铁隧道穿越区强风化泥岩、砂岩所组成互层围岩的损伤演化规律,通过颗粒流软件标定已获取的强风化泥岩、砂岩所对应的微观参数,并组成不同几何特征的互层围岩进行单轴试验模拟,分析不同围岩层厚比、岩层倾角的力学特性及其中代表性3组裂纹的发展规律及能量演化。结果表明,围岩层厚比为0.2~0.6,围岩倾角为0°、20°、80°时,对互层围岩单轴抗压强度的影响较大;随着层厚比的继续增加,互层围压的单轴抗压强度的变化趋于平缓;不同的围岩层厚、岩层倾角组合试样有不同的破坏模式,对应的裂纹发展及能量演化也有较大差异。

考虑环境变量作用的滑坡变形动态灰色-进化神经网络预测研究

滑坡变形预测对于指导灾害的预防工作、保护人民的生命和财产安全具有重大实用价值。从系统论观点出发,结合岩土体流变理论和时序分析原理,在深入研究影响滑坡变形的主控环境变量基础上,将位移时序分解为趋势项和偏离项。采用灰色系统模型提取位移时序趋势项,结合遗传算法和人工神经网络建立起进化神经网络模型,逼近主控环境变量与位移偏离项之间的非线性关系。根据蠕变阶段和变形对环境变量响应情况,实时调整模型,建立起滑坡变形预测的动态灰色-进化神经网络(GM-ENN)模型。将此预测思路和方法应用于三峡库区某滑坡变形预测研究中,证实了模型的有效性和实用性,显示了动态预测的重要性。

基于岩石地质本质性的碳酸盐岩单轴抗压强度预测

充分认识岩石的地质本质性是准确描述其物理力学特性的桥梁。岩石的地质本质性涵盖了岩石的物质性、结构性和赋存状态3个方面的内容。在综合考虑岩石上述3方面特征及其与单轴试验联系的基础上,以矿物组成、密度、纵波波速和含水状态为基本指标,采用回归和BP神经网络的方法对碳酸盐岩单轴抗压强度进行预测,并采用灰色关联分析法验证本研究所选用的预测基本指标的合理性。实例应用表明:本次采用的回归方法对该类岩石强度预测的最大误差为15.3%,BP神经网络方法预测的最大误差为8.5%。预测误差出现的原因为碳酸盐岩物质组成复杂,所选预测基本指标是实际情况的简化,同时泥灰质岩石所具有的膨胀性也导致实测和预测结果具有一定的差异。

孔隙分布分形维对多孔材料抗压强度的影响研究

建立了4组不同孔隙分布形式的多孔材料模型,在考虑孔隙分布范围和密度的基础上计算其孔隙分布分形维数,并利用假三维数值试验的方法获得了相同初始强度、不同孔隙度和孔隙分布形式试样的抗压强度。数值试验结果表明,除了孔隙度较小和孔隙分布分维数较大的试样破坏形式基本满足45°??/2破裂角的规律以外,该分维数较小的试样均呈现出不对称的斜截面破坏;在孔隙度相同的情况下,该分维数越大,样品的抗压强度越高;通过推导假三维情况下材料孔隙度与抗压强度的理论关系发现,该分维数越大,样组的抗压强度随孔隙度增大而衰减的速率越慢;根据损伤力学模型对试样的抗压强度进行预测分析发现,当样组的该分维数较大时,该模型能够较准确地预测多孔材料的抗压强度,而当样组的该分维数逐渐减小时,损伤力学模型的精度也逐渐降低。上述规律是由孔隙分布分维数越小、孔隙分布越不均匀、试样中应力集中的累积效应越显著的原因而造成的。

考虑地下水作用的Goodman-Bray方法改进及应用

反倾岩质边坡的稳定性分析方法一般为Goodman-Bray法,但其没有考虑地下水。对Goodman-Bray法进行改进,推导出了考虑地下水作用的反倾岩质边坡稳定性计算方法,并用MATLAB编写了计算程序。最后以重庆巫溪县中梁水库硝洞槽—郑家大沟反倾岩质边坡为例,采用Sarma法和传递系数法(TCM)对改进的Goodman-Bray法(简称WGB法)进行验证。结果表明:反倾岩质边坡往往受自身岩体结构的控制,条块划分结合结构面产状的Sarma法和WGB法比铅直方向条分的TCM法更符合实际情况,但Sarma法忽视了对条块底面连通性的考虑,使计算结果偏低。综合比较3种计算方法,WGB法更加适用于考虑地下水作用的库岸反倾岩质边坡稳定性分析。

基于变形分区确定某反倾岩质岸坡变形体锁固段

对处于蠕滑阶段的边坡而言，准确确定蠕滑段和锁固段是进行稳定性评价及演化趋势预测的基础和前提。以我国西南山区某水库型岸坡变形体为例，在综合分析岸坡工程地质条件的基础上，通过联合运用野外现场地质调查、地表位移监测、钻孔、平硐、深部位移监测、物探等多种勘察手段，查明了岸坡的结构特征，并分别对岸坡进行地表和深部变形分区。在此基础上，结合当前稳定性现状，划分出岸坡蠕滑段与锁固段。结果表明：（1）岸坡在河谷下切过程中发生了弯曲倾倒变形，弯曲折断面深度为20～80m；（2）岸坡前部为蠕滑段，中部为锁固段，后部为拉裂段，具备滑移一拉裂一剪断“三段式”发育特征。研究结果可直接用于该岸坡变形体的稳定性评价，且对于同类型处于蠕滑阶段边坡的勘察手段及综合分析具有一定的借鉴意义。

基于上限有限元原理的双曲线强度折减法

相对于极限平衡法和有限元法来说,极限分析在边坡的稳定性分析中有着更严谨的理论基础和更明确的物理意义,但传统的极限分析上限法为了避免问题成为非线性规划,均是借助于超载系数来进行分析,而工程边坡用得最多的还是强度储备安全系数。针对这一问题,系统地介绍了极限分析上限有限元原理,并将强度折减技术引入到上限法,针对强度折减系数和超载系数满足双曲线的性质,用一种收敛速度更快的双曲线迭代法进行计算,克服了传统强度折减进行人工试算的不足,具有较高的收敛性。通过算例将所提方法与传统极限平衡法和有限元法进行对比,计算结果吻合度较高,说明了本方法的有效性。

乌鲁木齐地铁隧道互层岩体力学特性的离散元数值分析

为了研究乌鲁木齐地铁隧道中强风化泥岩、砂岩组成的互层岩体力学特性,首先在乌鲁木齐强风化泥岩、砂岩物理力学参数获取的基础上,对互层岩体物理力学参数进行微观参数标定,然后通过颗粒流数值模拟单轴压缩试验,分析了互层围岩层厚、层厚比、岩层倾角及层厚比与岩层倾角共同作用下互层岩体力学特性响应规律。分析结果表明:互层围岩的层厚与单轴抗压强度负相关;随着互层围岩层厚比的增加,其单轴抗压强度在降低,且下降梯度逐渐减小;互层围岩倾角的增加使单轴抗压强度的变化大体呈U形变化趋势,在岩层倾角为40°时,单轴抗压强度达到最低;围岩倾角与层厚比的组合对单轴抗压强度的影响比较明显,且在围岩倾角为0°、20°、80°,围岩层厚比为0~0.2最为显著。综合分析,互层岩体力学特性较为复杂,不同层厚、层厚比、岩层倾角及围岩倾角与层厚比的组合所表现出的力学差异显著,需要在实际工程中遇到具体问题具体分析。

基于灰色关联理论的Peck法隧道地表移动参数影响研究

在预测隧道施工引起地表变形的算法中,Peck法发挥着重要作用。但该法对地表移动参数的研究往往依据经验,只考虑了部分因素的作用。针对这种局限性,在收集整理乌鲁木齐地铁1号线数据资料的基础上,借助数值模拟手段,运用灰色关联理论,对Peck法中的地表移动参数(沉降槽宽度系数i和地层损失率η)进行了研究。选取了土体参数、隧道设计指标和监测指标中的8个影响因子,计算其与i和η的关联性,得到以下结论:泊松比对i的影响远远高于其他因素;η的取值与内摩擦角的关联性较小,与其他7个影响因子的关联性差别不大,通过经验法综合考虑所有因素的取值是合理的。

土木工程专业工程教育认证实践与经验交流——以新疆大学土木工程专业为例

国际工程教育《华盛顿协议》是国际上最具有影响力的工程教育学位互认协议之一。文章系统介绍了新疆大学土木工程专业实施工程教育认证,贯彻学生中心、成果导向和持续改进核心理念,明确培养目标,制定毕业要求,构建课程体系,制定课程目标、教学内容、教学要求及其考核与成绩评定方法,定期对毕业要求进行达成度评价,持续改进教学及人才培养质量,使工程教育实践逐渐由"形似"向"神似"阶段迈进,探索和实践土木工程专业教育的新模式和新理念。

基于TSP物探指标的围岩质量预测研究

为利用TSP各物探指标预测隧道围岩质量,以G575线巴里坤~哈密公路东天山隧道为工程依托,利用灰色关联分析理论,建立了以岩体质量指标修正值作为围岩质量的依据,以9个物探指标为影响因素,采用MATLAB软件对隧道围岩质量的影响因素进行关联排序,确定影响围岩质量的主次因素;再选取高关联度的物探指标,采用灰色关联理论进行围岩质量预测。结果表明,波速、纵横波速比、泊松比、密度为影响隧道围岩稳定性的主控因素;剪切模量、拉梅系数、体积模量、动态杨氏模量、静态杨氏模量为次要因素;围岩质量预测采用波速、纵横波速比、泊松比、密度这4个高关联度的物探指标能准确预测隧道围岩分类。

基于随机场理论的盾构隧道地表沉降槽曲线研究

在对地表变形产生的沉降槽的研究中,通常将土性参数看作确定值,并且假定沉降槽是关于隧道轴线对称的,这样往往忽略了土体的非均质性特点,对沉降槽的假定也偏于理想化。为此,借助随机场的计算机模拟方法,在引入曲线偏移量对经典Peck公式改进的基础上,开展Monte-Carlo随机分析,分析土体弹性模量空间变异性对沉降槽曲线的影响。研究结果表明:(1)引入曲线偏移量是可行的,并且可以表现沉降槽在隧道轴线位置的不对称性;(2)土体弹性模量空间变异性对沉降槽的形态影响不明显,但对沉降槽宽度、最大沉降值和最大沉降位置有重要影响。