三维模型试验新技术及其在大型地下洞群研究中的应用

介绍了三维地质力学模型试验中的几项新技术,包括高容重模型材料NIOS的采用、三维复杂地应力场的生成和监控技术、洞室群施工过程模拟中的隐蔽开挖技术和内窥监测等等。根据国内外文献查对,这几项技术在岩石力学及地下工程试验研究中尚未见报道。目前,这些新技术已成功用于某超大型水电站地下厂房洞室群的施工仿真三维地质力学模型试验研究,取得了满意的成果,并对设计方案起到有力的支持和验证作用。本项试验的成功,开辟了地下洞室工程三维试验研究的一条新途径,其成果可以应用于我国其他超大型地下洞室群工程的布置、设计和研究。

大型分岔隧道三维模型试验收敛变形的数码摄影测量应用研究

在模型观测面上设置测量标点,用数码相机拍摄实验各阶段测量标点位置,然后应用BP神经网络进行相片标点坐标变换,对各实验阶段的标点坐标进行识别、比较实现模型标志点的变形计算。将这一方法应用于某大型分岔隧道的施工开挖、加固过程的相似三维地质力学模型试验研究中,取得满意的观测成果,为三维力学模型试验收敛变形观测提供了一种新方法。

公路隧道工程三维模型试验中数据采集技术

介绍三维地质力学模型试验中的几项数据采集关键技术，包括地应力场的生成和监测隧道围岩收敛、拱顶沉降的数码摄影测量方法及模型岩体内部位移的数据采集。目前，这些技术已成功的应用于公路隧道工程的施工模拟三维地质力学模型试验中，取得了令人满意的成果。

水利工程三维模型试验变形的数码摄影监测

在水利工程隧道三维立体模型观测面设置测量标点,采用数码相机监测模型试验过程,通过数码图像识别监测物体变形前后标记点的变形数据。基于BP神经网路的图像识别,对某隧道施工开挖、加固过程进行三维地质力学模型试验,取得了满意的观测结果,为三维力学模型试验收敛变形观测提供了一种新方法。

连拱隧道动态施工模型试验与三维数值仿真模拟研究

连拱隧道作为公路隧道新的结构型式,理论上还不成熟。以云南省元磨高速公路的一座连拱隧道作为工程背景,按弹性阶段相似原则进行连拱隧道室内模型试验,模拟连拱隧道的施工工况,采用压力盒、数码摄像、沉降板等仪器量测施工过程中隧道围岩应力和位移分布,采用三维连续介质快速拉格朗日元模拟连拱隧道的施工工况,得出施工过程中隧道围岩位移、应力和塑性区分布规律,其结果与模型试验所得结果基本一致。

三维注浆模型试验系统研制及应用

为研究注浆扩散规律和加固机制,研制了三维注浆模型试验系统,该系统由承载试验台、伺服稳压供水单元、注浆单元、多元信息监测单元及图像采集单元组成。该系统主要功能包括不同岩体介质中参数灵活可调的多孔注浆、多序次注浆模拟试验及被注岩体内部物理场信息实时采集,其主要优势体现在:(1)试验腔设计为组合桶式结构,密封性强,拆卸方便,利于注浆加固体细部研究;(2)多腔气动联合控制水压加载方式可提供持续稳压的地下水环境;(3)多元信息并行实时监测系统可同时采集被注岩体内不同空间位置的总压力、孔隙水压力及位移等信息,实现注浆过程中物理参量时空变化规律的研究。利用该试验系统进行黏土介质单孔注浆和多孔分序次注浆模拟试验,获得注浆压力p变化特征及土体内部力学响应规律:p-t曲线呈多个波峰-波谷旋回,表征劈裂注浆为主的加固模式;注浆荷载作用下,总压力、孔隙水压力、有效应力与注浆压力基本同步变化,注浆结束点达到峰值,其后开始衰减并逐渐趋于稳定;与单孔注浆相比,多孔、多序次注浆可显著提高土体有效应力,黏土逐渐压缩固结,力学性质改善。试验表明,黏土介质以劈裂注浆为主,不同序次浆脉间接触关系复杂,可划分为剪切劈裂、原位顺层劈裂及入侵劈裂3种基本模式;采用多孔、小注浆速率试验方法,可减小围岩扰动,增大注浆量及土体压缩固结程度,提高注浆加固效果。研究成果对揭示黏土介质注浆机制具有一定的科学价值。

双隧道对群桩影响的三维离心模型试验研究

在膨胀土地基中进行了双隧道对群桩影响的三维离心模型试验,目标地层损失比为2%,着重研究引起的地基沉降槽、附加弯矩、轴力的变化规律。试验得出:膨胀土地基中每个隧道开挖形成的地表沉降槽仍符合Peck高斯曲线,双隧道共同作用形成的沉降槽可以看作是每个隧道单独作用形成的沉降槽的叠加;两个隧道开挖引起的前后桩弯矩规律类似,最大附加弯矩均出现在拱冠附近,但存在明显的前桩遮拦效应;随着第一个隧道开挖的临近及远离,前后桩轴力会发生明显不同变化,而第二个隧道影响明显不同,附加轴力最大值约为工作荷载的10%。

深部巷道围岩分区破裂三维地质力学模型试验研究

为模拟分区破裂的产生条件和破裂机制,以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,通过相似材料三维地质力学模型试验再现深部巷道围岩分区破裂的形成过程,通过多种测试手段获得巷道围岩内部的应变和位移呈现波峰和波谷间隔分布的波浪形变化规律,从巷道围岩的破裂现象及其应变和位移的变化规律,有效揭示深部巷道围岩分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究深部巷道围岩的非线性变形破坏机制奠定坚实的试验基础。

新型组合式三维地质力学模型试验台架装置的研制及应用

根据岩体地质力学模型试验的特点,研制出一种新型组合式三维地质力学模型试验台架装置。该装置主要由台架体和台架底盘组成,其中台架体由盒式铸钢构件通过高强度螺栓连接组合而成,台架底盘由带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。通过底盘高强螺栓可将台架体与台架底盘在所要求的螺栓槽位固定,形成组合式三维地质力学模型试验台架装置。该装置在一大型分岔隧道三维地质力学模型试验中的具体应用结果表明,其具有结构新颖、刚度大、整体稳定性好、组装灵活方便、尺寸可任意调整并能满足不同规模模型试验要求的显著技术优势。

三维地质力学模型试验中光纤传感器的应用研究

近年来，在地下结构三维地质力学模型试验的研究中。多项新技术得到应用和开发，其中也包括采用光纤传感器量测模型材料中的应变和变形，这使模型试验上了一个新台阶。采用光纤传感器量测。对于地质力学模型试验来说还是一项新技术。该文结合在一个大比尺的地质力学模型试验中采用光纤传感器的经验，对它的实际应用及埋设方法做了进一步的探讨和设想。

深埋长隧洞三维地质力学模型试验研究

为了评价深埋长隧洞围岩的稳定性和隧洞间距的合理性,本文采用三维地质力学模型试验技术,研究在高地应力、高外水压力作用下,隧洞围岩整体稳定性以及相邻洞室开挖的相互影响效应,并与三维弹塑性有限元数值计算结果进行对比验证,研究结果表明:地质力学模型试验成果和数值计算结果基本一致,两者得到的位移场、应力场、屈服区范围都基本吻合。在高地应力、高外水压力作用下,工程所在的Ⅲ类围岩隧洞是可以安全成洞的。采用超载法进行试验和计算可知,在Ⅲ类围岩中极限超载安全系数k>1.3,开挖隧洞对洞周围岩的位移与应力影响区一般小于1倍洞径范围,隧洞的间距是合适的。

牛头山双曲拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究

介绍了牛头山双曲拱坝三维地质力学模型试验,包括模型设计、模型制作、加荷和量测等。试验给出了拱坝在正常蓄水位荷载作用下的位移场,测出了坝体、坝肩、断层出露处以及坝基内部断层各部位的位移,揭示了拱坝坝体和基础失稳前位移和裂缝发展的全过程及其破坏机理。对试验数据的综合分析,可以评价边坡的稳定性,并得到拱坝的整体安全度。

大型地下结构下修建盾构隧道模型试验

采用三维相似模型试验,研究了在南京玄武湖公路隧道下新建地铁盾构隧道时,两重叠隧道间的相互影响.试验结果表明:盾构隧道施工对玄武湖隧道周围土体的扰动十分有限,不会产生因下方土体变形过大导致玄武湖隧道出现“漂移”现象;对玄武湖隧道下方土体进行加固和加设抗拔桩后,结构附加内力和变形值明显减小;地表下沉很小,不会造成路面结构破坏.最后,用有限元计算进行了对比分析,表明盾构隧道施工中,玄武湖隧道和盾构隧道是安全的,不需进行特殊处理.

岩体相似材料及其在公路隧道工程模型试验中的应用

介绍三维地质力学模型试验中的高密度岩石材料的应用，对相似材料的特点、相关参数、配比组合及物理性能进行简要介绍，应用于公路隧道工程的施工模拟三维地质力学模型试验中，取得了令人满意的成果，并为设计方案和三维弹塑性有限元数值仿真模拟提供了数据验证。

水轮机预应力混凝土蜗壳三维仿真模型试验成果分析

清江高坝洲水利枢纽混凝土蜗壳采用预应力加固在国内外均属首次。对预应力混凝土蜗壳在各工况下的应力分布进行三维仿真模型试验研究,以验证预应力加固效果并对蜗壳运行条件和安全条件做出评价。三维仿真试验研究的成果,对工程设计方案优化具有指导意义,表明蜗壳后张预应力加固作用显著,结构整体应力水平合理,工程安全可靠并具有良好的运行条件。

采场覆岩变形和来压判别的分布式光纤监测模型试验

为了研究煤矿工作面开采过程中,上覆岩层变形规律,将分布式光纤传感技术(BOTDA)应用于三维立体模型试验监测。制作了3 600 mm×2 000 mm×2 000 mm(长×宽×高)三维立体模型同时在模型内部预埋3根垂直光纤,模拟工作面的开采,工作面共开挖60次,累计推进2 400 mm,获得3根分布式光纤的180组布里渊(Brillouin)频移试验数据。提出了分布式光纤频移平均变化度的概念,采用光纤频移来表征采场上覆岩层变形垮落,判别工作面初次来压和周期来压情况;并将其测试结果和内部位移测试结果进行对比。结果表明,光纤频移平均变化度可以反映工作面上覆岩层变形、来压及其变化情况,该方法及其技术推广应用可以为上覆岩层变形信息化提供依据。

基于神经网络的直接线性变换在地质力学模型试验中的应用

三维地质力学模型的变形数据主要由岩体内部变形和收敛变形两部分构成。寻找满足高精度位移测量的收敛变形观测方法已成为三维地质力学模型试验数据采集的重要研究方向。修正了传统的数码相机摄影测量基于图像坐标变换的计算思路,改善了试验中5×5小模板作业方式,采用大模板标准点布设方案和标志点相邻坐标数据点的选择方法,有效地减小了镜头畸变对标准点、标志点的影响。基于BP神经网络的直接线性变换原理进行了图像间的坐标识别和试验阶段测量观测点的坐标比较,实现了三维地质力学模型的收敛变形观测。将数码相机数字近景摄影方法应用于某大型分岔隧道的三维地质力学模型试验研究,取得了满意的研究成果。

复杂地质条件下大埋深隧洞衬砌与围岩协同作用物理模型试验研究

围岩-支护协同作用是地下工程支护结构设计的核心问题,关乎着地下工程建设的成败。为揭示深埋隧洞围岩与支护结构协同作用机理,以滇中引水最大埋深约1512m的香炉山隧洞为研究背景工程,首次开展复杂地质条件下深埋隧洞衬砌与围岩协同作用真三维地质力学模型试验,真实再现隧洞开挖与支护的施工全过程。模型试验研究表明:1)不同地质条件下隧洞围岩的应力释放过程不同,硬岩隧洞围岩应力释放速率先慢后快,软岩隧洞应力释放速率先快后慢;2)不同地质条件下隧洞衬砌与围岩接触压力的分布形式不同,硬岩隧洞最大接触压力位于拱肩,软岩隧洞最大接触压力位于拱顶;3)衬砌与围岩协同作用包括两种应力释放机制、3个施工阶段和4种承载状态;4)不同地质条件下隧洞衬砌施作后围岩和衬砌承担的荷载比例不同,硬岩隧洞围岩平均承担约85%的荷载,衬砌约承担15%的荷载,软岩隧洞围岩平均承担约25%的荷载,衬砌承担约75%的荷载。

微型高精度多点位移计的设计及在三维模型实验中的应用

岩体力学模型试验是研究复杂岩体内部建筑物稳定及破坏的一种重要方法.在各种地质、边界和荷载条件下,地下洞室群周围岩体的应力、变形以及破坏机理等十分复杂.超大型水电站地下厂房洞室群以其规模巨大、洞室结构形式多样、围岩稳定问题复杂而备受关注,但是许多制约因素使得这类试验难以实现,其中包括试验过程中内部物理量的量测问题.本文就为解决模型试验中的位移量测问题而进行的微型高精度多点位移计设计、埋设和安装等有关问题进行了探索,并介绍了它在溪洛渡水电站地下厂房洞室群模型试验中的成功应用.

大型洞室群三维模型实验离散化多主应力面加载及监控系统的研究

本文介绍了大型地质力学模型试验中所采用的离散化多主应力面加载及监测系统.该系统是在大型地下厂房洞室群施工稳定性模型试验研究中,国内外首次提出使用的一种能近似模拟复杂三维空间地应力场的加载系统.该系统可将复杂变化的地应力分布场,离散为有限多个微小的单元应力场,然后在每个单元的主应力面上,按照实测和经回归分析确定的单元主应力值进行加载,从而完成整个试验域的原始地应力场的模拟.另外还设计了监测控制系统,以便保持加载系统在整个开挖模拟过程应相对稳定.该试验系统已成功地应用于某大型水电站地下厂房洞室群的三维地质力学及施工仿真模型试验,取得有价值的成果.