基于数值仿真的复杂岩体TBM掘进性能评估模型

为了评估全断面隧道掘进机(TBM)在复杂岩体环境中的掘进性能,本文提出了基于数值仿真的全断面TBM掘进预测模型。首先,采用4D-LSM和DDA耦合模型数值重现工程尺度完整岩体和节理岩体的TBM掘进测试过程,分析全断面TBM掘进过程中刀盘的力学响应和岩体的破坏特征;其次,研究节理间距、节理方向、岩体单轴抗压强度以及脆性指数对可钻性指数的影响;最后,引入单神经元对数值仿真预测模型进行修正,并与岩体特征模型进行对比分析,验证基于数值仿真的全断面TBM掘进性能预测模型的适用性。研究结果表明:TBM在低强度、高脆性以及节理发育的岩体中掘进效率更高,当节理面与TBM掘进方向之间的夹角为60°~75°时,最有利于TBM的运行。基于数值仿真的TBM掘进性能预测模型提供了一种经济、灵活的可用于评估复杂环境中TBM施工性能的方法。

开放式微波致裂模拟节理岩体试验及辅助破岩评估

为研究开放式微波作用下节理岩体的破裂特征,并评估微波辅助悬臂掘进机的破岩效率,开展微波致裂模拟节理岩体试验。首先,利用9块尺寸为0.5 m×0.5 m×0.3 m(长×宽×厚)的闪长岩岩样垒成1.5 m×1.5 m×0.3 m(长×宽×厚)的人造节理岩体,以模拟节理间距为0.5 m的岩石开挖面;然后,利用6 kW的工业微波系统及缩径介质填充天线对该节理岩体进行微波照射加热致裂试验,研究不同微波照射点间距(15 cm和20 cm)下岩体的破裂特征,分析节理与照射点间距对微波致裂的影响,测量微波处理后岩体的等效岩石质量指标(RQD)和磨蚀性指数(CAI);最后,基于Bilgin经验模型评估微波照射前后刀盘功率为200 kW的悬臂掘进机的破岩效率和刀具磨损变化。结果表明:1)2种照射点间距下,岩体的等效RQD从100降低到62和50,微波预处理可使悬臂掘进机在该闪长岩岩体中的破岩效率提高170%~280%;2)照射点间距为20 cm时,CAI从4.0减少到3.4,可使刀具损耗降低11%。

瞬态瑞利波测试方法

就瞬态瑞利波的测试方法和仪器进行了简单的介绍和评价，并在工程实例中利用瑞利波分析测试技术判断地基地分层情况，同时推算出了相应地层持基承载力，从测试结果可以看出瞬态瑞利波法是一种很有价值和前途的方法。

隧道开挖对表层裂隙岩溶带含水特性的影响

表层裂隙岩溶带广泛分布于我国中纬度岩溶地区。该裂隙带具有保水和透水的特性,对所在区域的生态环境有很大影响。通过对南京老山隧道工程的分析,讨论了隧道开挖对表层裂隙岩溶带含水特性的影响,为下一步建立环境影响预测模型和采取相关工程对策提供理论基础。

掘进机刀盘滚刀间距对北山花岗岩破岩效率的影响实验研究

掘进机(TBM)开挖隧道过程中,其刀盘上滚刀间距设计的合适与否关系着破岩效率的高低。由于岩石非均匀、非连续、各项异性的特性,使用数值模拟方法研究滚刀破岩过程存在局限性。现场掘进实验主要是针对特定的掘进机做出机械运行参数优化,无法研究不同刀间距对破岩的影响。全尺寸滚刀破岩实验可以人为调整刀间距,且实验中采用大体积岩石可以避免尺寸效应的影响,因此受到了广泛的关注。采用北京工业大学自制的机械破岩试验平台,安装17英寸(432 mm)盘形滚刀,选取尺寸为1000 mm×1000 mm×600 mm的北山完整花岗岩试样,进行了5组刀间距的线性切割试验。实验中采集滚刀三向力,分层收集岩片且对其进行称重。对不同刀间距作用下的平均法向力、平均滚动力和比能进行了分析研究。当贯入度较小时,刀间距对平均法向力和平均滚动力的影响都不明显,随着贯入度的增加,刀间距对平均法向力和平均滚动力的影响增加。对于所有的刀间距而言,增加贯入度会产生更多的岩片,但并不一定会提高破岩效率,对于北山花岗岩而言,当刀间距与贯入度的比值为30左右时,比能值最低,此时破岩效率最高。

含水量与孔隙率对土体热导率影响的室内实验

为建立热导率与影响因素间的确定性关系和推算公式,需要严格的实验,即研究某一影响因素时应保持其他因素不变。在严格控制其他各影响因素的情况下,分别研究了土体热导率随含水量(保持孔隙率、土样成分等不变)及随孔隙率(保持含水量、土样成分等不变)的变化规律,在此基础上再对影响因素的综合影响进行研究。并从微观的角度分析土体热导率的变化规律,研究其内在传热机制。分析发现,土样种类不同,热导率随含水量及孔隙率的变化规律也不同,同时还发现土体内部粘粒含量是表征热导率递变速率发生明显变化的重要因素。给出了土体热导率的经验公式,将该公式计算值与工程土体的实验值进行对比后发现,两者间相对误差较小,该公式可直接应用于实际工程。

弹性纵波在具有非线性法向变形本构关系的节理处的传播特征

对正向入射弹性纵波穿越岩石节理的过程及特性进行理论研究。所研究的岩石节理具有非线性法向变形本构关系。在没有剪切波的情况下,探讨节理的非线性法向变形行为对弹性纵波传播的影响。传统的有关应力波在节理处传播的线性位移不连续理论模型,发展为非线性模型——双曲模型(BB模型)。依据此模型,获得了节理透射和反射系数的数值解。该数值解用来进行一系列的参数研究,包括节理初始刚度、节理闭合量相对于最大允许闭合量的比率以及入射波的振幅和频率对节理透射系数的影响等参数研究。也对线性和非线性位移不连续理论模型作了比较。结果表明,线性模型得到的透射和反射系数解是非线性解的一种特例,即当入射波的振幅很弱以至于在波传播中产生的最大节理闭合量相对于最大允许闭合量足够小的条件下,非线性与线性解等同。此外,还发现当波在节理处传播时,节理的非线性变形行为会引起一种高谐波现象。

改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构模型研究

回顾了已有的几类岩石节理法向变形本构模型,指出以往模型在中应力水平条件下模拟结果与试验结果发生偏离的现象。针对这一问题,引入"半值节理最大闭合量应力"σ1/2概念,着重论述了传统的BB模型与经典指数模型本身所固有的数学缺陷。随后,以Malama和Kulatilake(2003)提出的统一指数模型为例,进一步阐明模型改进的必要性,同时分析了该模型因采用对σn/σ1/2项添加幂函数n的修正方式而丢失节理法向初始刚度Kni的物理意义这一不足之处。基于上述研究,根据前人试验数据分析建立单调加载条件下岩石节理法向应力–位移关系曲线的控制微分方程,定义拟节理最大允许闭合量Dmax=ξdmax的概念,提出一种新的三参数本构模型——改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构关系,并在数学上严格证明了BB模型与经典指数模型是新模型的两个特例。新模型克服了前述模型数学上的缺陷,弥补了以往模型模拟结果与试验结果发生偏离的不足,且没有因新参数ξ的添加丢失Kni的物理意义。最后采用新模型对他人试验结果进行预测,建议了修正参数ξ的确定方法。模型预测结果与试验结果吻合良好,进而验证了本文模型的可行性。

脆性材料SHPB实验技术的研究

用SHPB装置研究脆性材料(硬岩、混凝土、高强度砂浆、陶瓷等)及脆性材料组构的非均一材料高应变率下的动力特性。在实验技术方面取得进展,简要研讨了万向头、波形整形器、异形炮弹、软性介质、节理试样与结构性试样等问题。

不同贯入度对掘进机滚刀破岩效率的影响

为了研究不同贯入度对破岩效率的影响,应用机械破岩试验平台,安装17英寸（432 mm）的常切面盘形滚刀,选取80 mm的滚刀间距,以0.5 mm为间隔,从0.5~3.5 mm分7个不同级次的贯入度对北山花岗岩进行线性切割试验,试样长×宽×高分别为1 000 mm×1 000 mm×600 mm。试验中记录滚刀的三向力并分层收集岩片,从平均法向力、平均滚动力、比能、岩片块度及形状的变化,分析了贯入度对滚刀破岩效率的影响,总结了滚刀在切割试验岩样时贯入度对滚刀力的影响规律。研究结果表明,当贯入度增加到一定的程度后单纯地增加贯入度并不能无限地提高破岩效率。

苏州地下空间开发地质环境因素的分析评价

城市地质环境的诸多脆弱敏感因素成为地下空间开发的关键制约条件。对苏州地下空间开发的关键地质环境要素进行评价,对于指导城市地质调查及地下工程建设具有重要的现实价值。以地形地貌、建筑场地类别、不良岩土体条件、水文地质特征、地震地质灾害等5个方面为评价的主题层,运用层次分析法(AHP)、专家调查法确定各指标因素的权重,基于目标线性加权函数建立评估模型,并对评估结果进行分级统计。由于地质环境要素具有空间变异性,故本研究对苏州地下空间开发深度的浅层(0～15m)、次浅层(15～30m)分别进行评价。结果表明:西部基岩山区(除去地质灾害发育区)地下空间开发的地质环境状况最好;东部平原区湖泊水系发育,软土层分布较厚,水文地质条件复杂,地下空间开发的地质环境状况相对较差。

隧道围岩温度场分布的数值分析及预测

利用FLAC3D程序模拟计算了隧道围岩的传热能力及其温度场的演化规律。首先对某过江隧道进行了围岩传热模拟,提出了围岩热物理参数的修正系数,模拟结果对比实测数据显示两者基本一致,表明利用此模型进行数值演算,其结果较为可靠。随后利用此模型对某地铁区间断面的围岩温度场演化规律进行了预测分析,得到了地铁围岩的热套厚度、传热稳定时间及传热量的大小,其结果可为相关领域内的科研设计人员提供参考。

裂隙岩体渗透系数确定方法研究

裂隙岩体渗透系数以及渗透主方向的确定对研究岩体渗透性大小及各向异性具有重要意义。高放废物地质处置库介质岩体的渗透性能将直接影响其使用安全性。本文运用离散裂隙网络模拟的方法对我国高放废物处置库甘肃北山预选区3#钻孔附近裂隙岩体进行了渗透性质分析。通过对3#钻孔171.5~178.0m段压水试验数据的反演,标定了离散裂隙网络渗流模型中的裂隙渗透参数（导水系数T）。利用标定的离散裂隙网络模型对场区裂隙岩体进行了渗流模拟,确定了该区域裂隙岩体的渗流表征单元体（REV）的尺寸大小以及渗透主值和主渗透方向。运用离散裂隙网络模型计算得出的渗透主值的几何均值与现场压水试验计算结果较接近,证明了计算结果的有效性。

利用标准贯入试验确定粘性土的不排水抗剪强度

粘性土的不排水抗剪强度是粘性土的重要力学指标,但目前确定该指标的方法存在着取样扰动或测试深度有限的缺点。通过对马来西亚槟州第二跨海大桥的试验结果研究,综合考虑了SPT的修正方式,不排水抗剪强度的确定方法,粘性土的塑性指数等因素的影响,建立了该地区土层的Cu和SPT之间的经验关系,可为该地区或其它地区的类似工程提供参考。

南京河西地区软土地层特征及工程特性研究

南京河西地区软弱土层性质复杂。为对工程建设提出针对性的设计和治理措施,有必要对该地区软弱土层成因及工程特性进行全面、系统的研究。本文主要针对河西地区地层结构及沉积演化特点,对软弱土层的物质成分、微结构特征以及土的渗透、压缩、强度、灵敏度和蠕变特性进行了分析。结果表明河西地区软弱土层属于河漫滩沉积,其沉积过程与河道变迁密切相关,具有沉积年代新、结构成熟度低、厚度变化大、土层分布不均并夹有砂透镜的特点。软弱土层属于欠固结土,粘土矿物以伊利石为主,具有中等—高灵敏性和低—中等次固结特性。

纵波在改进的弹性非线性法向变形行为单节理处的传播特性研究

将传统的BB模型与经典指数模型统一起来,提出的准静态条件下改进的节理弹性非线性法向变形本构关系可定量化描述节理变形的这类差异。在不考虑加载速率对节理变形行为影响的情况下,将该本构关系推广至动态条件,建立了法向入射纵波在弹性半无限空间中干性单节理处传播的位移不连续模型,基于Lemaitre假设获得了节理透、反射系数TIMP和RIMP的近似解析解;同时结合一维波动方程特征线法推导了节理透、反射波质点速度时域数值差分格式并自编了计算程序,进而得到TIMP、RIMP、透、反射波能量etra和eref、延迟时间Tdel的半数值解,依此研究弹性纵波在单节理处的传播过程及特征。在针对节理法向初始切线刚度Kn,i、节理闭合量与最大允许闭合量比值γ=dn/dmax、入射波频率f等因素对TIMP、RIMP的影响进行探讨的同时,着重分析模型非线性程度ξ及入射波最大振幅vinc的变化对透射波振幅及能量衰减、波形及频谱畸变、时间延迟所产生的影响,并解释了一种"超越"现象。

基于GIS的甘肃北山花岗岩裂隙密度地质统计分析

以甘肃北山花岗岩中发育的构造裂隙(主要指节理)为研究对象,采用高精度GPS、罗盘等对其进行现场测量,获取裂隙的迹长及产状信息,并将信息导入ArcGIS平台建立裂隙属性数据库;进而应用地质统计分析理论,以裂隙面密度P21为地质统计分析的区域性变量,探索花岗岩岩体裂隙空间分布特征;然后借助ArcGIS软件平台建立变异函数模型,利用地质统计学的普通克里金插值方法得到整个区域的面密度预测分布图。结果表明:芨芨槽块段所测某区域裂隙面密度值的半变异函数变程值在20～30m之间,NS和EW方向有明显差异,由此知该区域裂隙面密度分布具有显著空间自相关性,但分布特征不均匀;此结论对北山花岗岩裂隙空间分布特征的深入研究以及三维裂隙网络建模具有重要参考价值。

节理间距对滚刀破岩影响的线性破岩试验研究

掘进机(TBM)开挖过程中受到各种地质因素的影响,其中节理间距是影响TBM滚刀破岩的一个重要因素。设计节理间距为100mm和400mm两组试验方案。试样为甘肃北山花岗岩,应用北京工业大学自行研制的大型机械破岩实验平台,选用17英寸(432mm)的常截面盘形滚刀进行线性切割破岩试验。试验过程中记录滚刀三向力、滚刀下岩样裂纹扩展并收集了岩片。从三向力、裂纹的扩展模式和岩片等角度分析节理间距对滚刀破岩的影响。结果表明:节理间距100mm的岩体切入所需要的推力小于完整岩石的推力,节理间距400mm的岩体破岩过程中推力有一突变的过程。节理间距100mm岩体滚刀作用下存在两种破坏模式,节理间距400mm的岩体破岩过程则包括了正常破岩和节理面影响破岩两个过程,并且节理对竖向主裂纹向节理面扩展有加剧的作用。节理面下方岩石较完整,节理面阻碍裂纹朝节理面下方岩石传播。

粉土热导率与含水量关系的实验研究

目前报道的不少实验成果,在得出粉土热物性指标和某一因素的关系时,并未保持其他影响因素固定不变,因而只能说明粉土热物性指标随影响因素的定性变化趋势。要建立热物性指标与影响因素间的确定性关系和推算公式,需要更为严格的实验,即研究某一影响因素时保持其他因素不变。通过一系列实验,对粉土试样的热导率进行研究,在排除孔隙比、干密度、土样成分等影响因素的情况下,独立分析了粉土的热导率与含水量间的关系。实验结果表明粉土的热导率随含水量的增大而增大,其变化规律与砂土一致,都符合对数变化规律,且整个变化过程可分为两个阶段。同时还分析了粉土的内在传热机制,有效描述和解释粉土热导率随含水量的变化规律。分析结果表明用对数形式来描述粉土热导率与含水量之间的关系是正确的。

基于块体理论安全系数的隧道优化设计

以连云港后云台山隧道为工程地质背景。所研究隧址区主要岩性较为单一,以硬质的变粒岩为主,部分地段见软弱的绿片岩层,软硬岩层交切,在洞顶和洞壁容易形成掉块和坍塌。考虑到其结构面控稳的特点,利用Unwedge程序,将块体理论应用于指导隧道优化设计,包括洞形的选择,隧道走向的优化、支护参数的确定等。通过实例分析与计算证明,块体理论在低地应力区结构面控稳的地下洞室的优化设计中具有重要的理论价值和实际意义。