考虑主应力偏转的土体浅埋隧道支护压力研究

传统方法计算浅埋隧道支护压力时,未考虑上覆土体主应力偏转过程,与实际情况不符且计算结果不准确。为真实分析和计算浅埋隧道支护压力,以砂土为研究对象,首先概括浅埋隧道围岩破坏模式,在此基础上分析隧道上覆土体主应力偏转过程和应力状态,得到水平微分土层平均竖向压力与侧向压力和层间平均剪切力的定量关系,进而建立水平微分土层受力平衡方程求解上覆土体竖向压力。最后以隧道侧面滑移土体为对象,通过受力平衡方程求解获得支护压力表达式。新方法考虑了上覆土体主应力真实偏转过程,较传统方法更符合实际,研究结果表明:距离隧道顶部中心线越远,水平正应力与大主应力比值越小;随着土体内摩擦角的增大,竖直正应力与大主应力比值呈现先减小后增大的规律。与模型试验结果对比表明:当隧道埋深较浅时,新方法计算所得支护压力与模型试验结果高度吻合,优于不考虑主应力偏转方法计算结果和半经验性的Terzaghi方法计算结果,从而验证了该方法的有效性,可为浅埋隧道支护设计提供一定理论依据。

RT模式下考虑主应力偏转的刚性挡墙地震主动土压力

依据拟静力学理论,考虑主应力偏转的影响,推导了绕墙顶转动模式（RT模式）下的地震主动土压力的计算公式。通过旋转挡土墙的解析模型,将地震问题转化为静力问题,并根据库仑土压力理论得到地震主动破裂角。在此基础上改进圆弧形小主应力偏转迹线,利用摩尔应力圆得到了RT模式下地震主动侧压力系数和水平微元土层间摩擦系数公式,提出基于微分薄层法的地震主动土压力解析式。分析了主要参数对地震主动破裂角、地震主动侧压力系数、水平微元土层间摩擦系数、地震主动土压力分布和侧向土压力作用位置的影响。将解析结果与其他土压力理论及试验数据进行对比,结果表明本文方法更为可靠。

一种考虑主应力偏转的平移挡墙地震土压力算法

遵循Mononobe-Okabe理论,考虑墙后破裂体内的主应力偏转,并假设小主应力偏转迹线形状为圆形下段部分的一段,通过转动挡土墙的解析模型,再结合库伦土压力的相关概念得到地震主动破裂角。采用微分薄层法,对墙后滑裂微元体进行应力解析,推导得到平移模式(T模式)下的地震主动土压力的计算公式,并分析了土中各参数以及地震动系数对地震土压力的影响情况。本文旨在改进地震土压力算法,不仅在计算中考虑了主应力的偏转,而且大大简化了地震土压力的计算过程。最后将计算值与前人方法及试验数据进行对比,结果显示本文算法得到的地震主动土压力分布与模型试验数据更为吻合。

考虑主应力偏转影响的基坑开挖应力路径

针对目前基坑开挖应力路径研究中缺乏对主应力偏转影响的考虑,引入主应力方向角的概念并推导了其计算方法,建立了p-q-α三维应力状态体系。以黏土超深基坑开挖工程为算例,采用有限元软件ABAQUS模拟基坑开挖全过程,对基坑不同区域关键位置点在开挖卸荷过程中的三维应力路径进行了研究。结果表明,坑底土体平均压应力p减小,广义剪应力q先减小后增大,主应力方向角α偏转幅度较大;坑侧土体主应力方向角α有明显偏转,但应力路径的发展与支撑的设置密切相关,基坑坡顶土体则几乎不发生主应力轴偏转。

考虑结构性和主应力轴偏转的黄土填料挡土墙地震被动土压力研究

针对黄土地区现有的地震荷载作用下挡土墙土压力计算方法中的不足,进行了4个含水量和3个围压的平面应变试验,首次建立了平面应变强度参数与结构性的关系,扩展了被动状态下考虑应力主轴偏转的粘性土侧土压力系数计算公式,采用水平微分层分析方法,提出了一种地震作用下同时考虑黄土结构性和主应力轴偏转的挡土墙被动土压力计算方法。参数分析结果表明平面应变条件下地震被动土压力均大于三轴条件下,结构性土地震被动土压力大于无结构性土,墙土面有摩擦时地震被动土压力大于墙土面光滑时;地震被动土压力随水平和竖向地震加速度系数的增大而减小、随摩擦角、均布荷载、墙土摩擦角、粘聚力、构度指标的增大而增大。黄土地区地震被动土压力计算应综合考虑平面应变强度参数、结构性和墙土摩擦效应的影响。

基于主应力旋转的黏性填土挡墙土压力

填土水平墙背竖直光滑的挡墙,墙后土体处于以自重应力和水平应力为主应力的应力状态。实际工程中,挡墙背面与土体存在一定的摩擦及黏结力作用致使挡墙附近土体中的主应力发生偏转,此时,经典朗肯土压力理论不再适用。本文对挡墙附近土中的主应力状态进行旋转处理,通过分析墙后填土中应力状态摩尔圆,得到了考虑墙土摩擦和黏结力作用的黏性填土挡墙主被动土压力计算公式,分析了填土内摩擦角与墙土摩擦角对土压力的影响,使用算例将本文方法所得结果与现有黏性土土压力计算方法所得结果进行了对比分析。结果表明,朗肯土压力公式是本文所得计算公式的特例;随着墙土摩擦角和内摩擦角的增加,被动土压力逐渐加快增大;主动土压力随着内摩擦角的增加而减小;当内摩擦角较小时,主动土压力随着墙土摩擦角的增大不断减小,当内摩擦角较大时,主动土压力随着墙土摩擦角的增大先减小后增大;土内摩擦角的影响大于墙土摩擦的影响;相对于现有方法计算结果,本文方法所得主动土压力较大,被动土压力较小,墙土摩擦越大,2种方法所得结果的差值越大,土黏聚力还会加大这一差值。本文方法考虑了墙背土体主应力方向偏转的客观事实,所得计算结果将更符合实际情况。

工作面回采过程中底板斜巷应力演化规律研究

工作面过空巷时,因超前支承压力的影响,底板空巷会出现矿压显现剧烈以及顶板冒落的现象。为研究空巷随开采距离的应力演化规律,建立数值模拟模型,分析巷道围岩应力演化特征,揭示底板空巷应力演化的机理,得出:(1)常村煤矿2106工作面回采过程中,工作面前方有较大超前支承压力,应力值在30~40 MPa;(2)底板空巷受超前支承的影响,巷道所受的最大主应力发生偏转,进而导致底板巷道非均匀破坏。

考虑不完全土拱效应的浅层地基竖向应力计算

浅层岩溶土洞塌陷和浅埋隧道施工等时常会引发浅层地基出现局部沉陷,导致地基可能承受不完全土拱效应作用。如何定量分析不完全土拱效应对浅层地基竖向应力的影响尤为重要。统计了国内外浅层活动门试验,将浅层地基滑移面概化为塔形,同时考虑了浅层地基不同深度处土层差异沉降及主应力偏转过程。通过建立主应力偏转角与活动门相对位移之间的数量关系,量化了浅层地基不同深度对应的不完全土拱效应发挥程度,优化了考虑不完全土拱效应的浅层地基竖向应力计算方法。分析了主要参数对不完全土拱效应的影响,结果表明,随着浅层活动门高宽比及相对位移的增大,应力转移量增加,土体有效内摩擦角及滑移面倾角则相反。可为局部沉降作用下的浅层地基竖向应力计算提供理论指导。

考虑主应力轴偏转的深埋盾构隧道开挖面主动极限支护压力计算方法

盾构隧道开挖通常引起土体的非均匀沉降,呈现出越远离开挖面沉降越小的规律。非均匀沉降引起土体之间产生剪切应力,使得土体主应力轴发生偏转,土体应力状态也随之发生变化。基于前期室内砂土模型试验结果,采用理论推导和数值模拟的方法,研究主应力轴偏转对深埋隧道主动极限支护压力的影响。首先采用理论推导的方法,分析开挖面局部失稳和整体失稳时,土拱效应对极限支护压力的影响;然后结合传统太沙基松动土压力公式,推导了开挖面局部失稳极限支护压力的一般性通解;进一步考虑开挖面变形过程中前方土体主应力旋转,推导深埋盾构隧道开挖面整体失稳主动极限支护压力计算公式。随着埋深越大,极限支护压力逐渐增大;当埋深比大于3时,极限支护压力趋于平缓。开挖面极限支护压力随着内摩擦角的增大而减小,相反,随着黏聚力的增大而增大。楔形体倾角和棱柱体高度均对极限支护压力有显著影响。

采矿诱发断层滑移失稳机制与能量释放规律研究

为研究采矿诱发断层滑移失稳机制与能量释放规律,通过对现场围岩节理裂隙调查和钻孔取芯开展试验,获得了岩体节理裂隙产状分布及围岩基本力学参数,采用Hoek-Brown强度准则对不同层位岩体的力学参数进行修正,以离散断裂网络(Discrete Fracture Network,DFN)形式将节理裂隙数据导入FLAC3D软件,构建精细化数值模型并进行了模拟分析。研究表明:将岩体库仑破裂应力增量ΔCFS作为断层滑移失稳的定量判据,可有效预测断层的滑移失稳区域;当主应力沿断层上盘方向进行偏转时,ΔCFS随着偏转角度与断层倾角增大而降低,断层周边岩体不易发生损伤破坏;当主应力沿着断层下盘方向进行偏转时,ΔCFS随着偏转角度与断层倾角增大而增大,断层周边岩体的损伤破坏程度加剧;断层滑移失稳分可以为3个阶段,即滑移蓄能阶段、稳定滑移阶段与滑移弱化阶段;断层周边岩体应变能密度集中区为断层滑移失稳时能量释放位置,岩体应变能密度分布呈现出积聚—向下扩散—重新积聚现象;利用断层滑移失稳的能量公式,可估算出断层滑移失稳时的能量释放大小。

考虑土拱效应的刚性挡墙主动土压力计算方法

基于极限平衡理论,考虑土拱效应引起的挡土墙后小主应力偏转,将圆弧形小主应力偏转轴近似为直线形。通过改进水平薄层单元法,提出沿圆弧形小主应力拱割线方向划分微分单元进行主动土压力计算的新方法。并推导出平动刚性挡墙以及墙后土体为无黏性土时的主动土压力强度、合力大小及合力作用高度的理论公式。研究了土体内摩擦角、墙土摩擦角、滑裂面倾角参数对主动土压力强度和合力作用点高度的影响。最后通过实例以及与其他方法的比较验证了该方法的适用性。

平移模式下挡土墙墙背土侧压力系数的计算

根据库仑土压力理论中墙背滑动楔体整体达到静平衡的基本原理,假定沿墙高方向,土与墙背的摩擦角均达到极限值,从墙背处土体主应力偏转的应力状态分析出发,得到墙背处的主应力偏转角和土侧压力系数的计算公式;把土侧压力系数用于水平层分析法,建立了竖向土压力的基本方程,求解该方程,导出了挡土墙主动土压力、土压力合力及其作用位置的理论公式。经比较,该方法与其他方法对土侧压力系数的计算结果基本一致,所得的挡土墙主动土压力计算结果与模型试验结果也较为吻合。

无粘性土的地震主动土压力水平层法改进

为了研究主应力偏转对土压力的影响,基于拟静力法,考虑平移模式下挡土墙墙后土体的主应力偏转和土层间的水平剪力,改进水平层分析法,根据应力状态和静力平衡条件建立基本方程组,通过迭代搜索程序进行求解,计算得出滑裂面形状、地震主动土压力分布、土压力系数和合力作用点,并对其进行参数讨论.结果表明:对于无粘性土,搜索得到的滑裂面曲线形状近似直线,故简化计算时,采用平面滑裂面的假设比较合理;填土内摩擦角和水平地震作用对土压力分布的影响较大,墙土摩擦角和竖向地震作用影响相对较小.与传统拟静力法对比,两种方法所得的土压力分布基本吻合,但是,改进水平层法所得的曲线呈现非线性变化趋势.

基于压力拱理论的大跨度隧道深浅埋划分研究

我国现行铁路隧道设计规范对深浅埋的界定采用统计法,这种统计方法没有充分考虑围岩自承载能力,统计样本数有限,统计隧道的跨度较小,其统计样本91.6%都在5~10 m宽度的隧道内取得,对于三线、四线以及更大跨度的隧道显得无能为力。基于压力拱理论,以拱顶主应力发生偏转为判据,确定隧道深浅埋临界埋深,提出拟合公式。为以后大跨度隧道深浅埋划分提供有益的参考。

基于土拱效应原理的挡土墙主动土压力研究

刚性挡土墙后土体在墙土间摩擦力作用下主应力会发生一定程度偏转,即土拱效应现象,使得土压力呈非线性分布。为考虑土拱效应对主动土压力分布的影响,基于水平微分土层法,假设墙后土体主应力偏转迹线呈抛物线形,定义水平微分土层侧压力系数,建立并求解水平微分土层平衡方程,获得主动土压力强度分布函数,进而求取主动土压力合力数值及其作用点位置表达式。研究结果表明:随着δ/φ逐渐增大,土拱效应逐渐增强,主动土压力呈非线性分布,由上至下先增大后减小;合力作用点高度与δ和φ之间均呈正相关关系,随着土拱效应的增强而升高;与模型试验及现有理论解析模型对比表明,关于主动土压力分布和合力作用点高度的计算误差最小,证明了方法的准确性和适用性。

复杂脚底形状对机器人脚沉陷中挤土效应影响的研究

利用ABAQUS软件建立机器人脚-土壤的相互作用模型,采用任意拉格朗日-欧拉(arbitrary lagrangian-eulerian)方法,结合物质点追踪技术,分析机器人脚沉陷过程中脚底土壤的流动情况,通过讨论机器人脚在不同沉陷量下脚底内外侧土壤追踪点的位移和密度场分布,阐述脚底内外侧土壤的挤土效应。另外,通过分析主应力矢量变化、径向应力和竖向应力分布规律,发现了沉陷过程中脚底土壤形成主应力拱,局部区域内发生应力的传递和转移,作用于拱脚处的土体竖向压应力转化为拱内土体的径向压应力;第三主应力的偏转导致局部土体在沿竖向和径向上的应力发生叠加,中轴线上分别形成了竖向和径向应力峰值。

采动应力偏转诱发回采巷道顶板断层活化风险评估

针对采动影响下回采巷道顶板断层易发生活化和顶板变形失稳问题,以瑞能煤矿201工作面回风巷顶板穿断层破碎带为工程背景,综合采用理论分析、数值模拟和现场实测等研究方法,研究采掘活动诱发主应力偏转对断层活化风险的影响、工作面前方采动应力偏转特征、巷道顶板断层面主应力偏转特征及顶板稳定性。研究结果表明:采动应力偏转引起断层面应力莫尔圆与强度曲线的相切状态过渡到相割状态,增加断层结构面滑移失稳的风险;经理论推导得到涵盖正应力与切应力比值关系的断层面活化风险评判系数k;工作面超前扰动影响范围为25 m,工作面前方2 m内和巷道煤壁侧方4 m内主应力偏转明显,偏转角度大于60°;巷道顶板上覆2 m以内浅部断层面主应力偏转受工作面回采扰动影响较为显著,且随着与工作面距离的增加显著性减弱;沿断层倾向在巷道顶板上覆浅部(k>1区域)属于活化风险区,深部(k<1区域)属于稳定区,沿断层走向随着与工作面距离增加活化风险区的风险性呈指数型减小趋势,工作面前方5 m内属于高风险区、5~20 m内属于一般风险区、20~25 m内属于低风险区;工作面回采阶段断层活化风险对巷道顶板变形影响显著,随着与工作面距离增加,顶板变形有:高活化风险区>一般活化风险区>低活化风险区。基于断层活化风险性和巷道顶板的稳定性给出了工作面回采期间的补强支护方案。

海底水气突涌运移规律与麻坑半径定量评价

目前关于麻坑研究无法准确预测现场麻坑的位置及尺寸,且忽略了斜坡海床中原生主应力偏转对于水气运移路径的影响。为了模拟研究麻坑的形成过程,首先,利用扩展有限元和Cohesive黏聚力单元相结合的方法,建立二维平面应变的水力压裂模型,开展应力-渗流耦合分析;然后,分析了静止土压力系数和海床坡角对于水气突涌的起裂压力以及扩展路径的影响;最后,建立麻坑半径与静止土压力系数以及海床坡角的三维关系图,综合评价了原生主应力偏转对于麻坑半径的影响。研究结果表明:静止土压力系数和海床坡角越大,水气突涌的起裂压力越大,且扩展路径更趋近于水平方向,进而导致水气突涌形成的麻坑半径越大;当坡角等于0°,静止土压力系数从0.5增加到0.8时,麻坑半径从70 m增加到100 m,起裂压力从510 k Pa增加到740 k Pa;而当静止土压力系数等于0.5,坡角从0°增加到10°时,麻坑半径从70 m增加到80 m,起裂压力从510 kPa增加到620 kPa。本文提出的应力-渗流耦合分析方法能够考虑地层原生主应力影响,模拟出水气突涌过程中的运移路径以及应力场、孔隙压力场变化,实现水气突涌运移规律分析和麻坑半径定量评价。

原状软黏土空心圆柱试样制备技术改进及应用

原状土空心试样的制备给土力学特性试验研究带来一系列棘手的问题,受取芯扰动的影响,目前在复杂应力条件下开展原状软黏土力学特性试验研究的可靠性有待进一步的提高。基于传统机械法设计了制备软黏土试样的新型装置及方法,具有台式水钻机、可拆卸更换钻头、制样桶等部件,操作便捷,制样质量良好,且对土样扰动较小,可快速制备大量空心圆柱试样。采用空心扭剪仪(HCA)开展了原状土圆柱试样在主应力轴偏转路径下的不排水剪切试验,得到了软黏土的孔压开展曲线和累积应变发展规律曲线。研究结果表明:复杂应力条件下所制试样土样力学性态演变规律较为可靠,满足试验要求。

交通荷载作用下考虑累积塑性应变的饱和软黏土应变软化特性研究

长期往复交通荷载将引起显著的路基沉降,而现有路基长期运营沉降分析多数建立在循环三轴试验基础上,忽视了交通荷载下土体单元主应力轴的偏转效应。通过对杭州原状软黏土进行应力控制的空心扭剪试验,研究循环应力比CSR、偏应力固结比K 0、振动频率f的变化与软化指数、累积塑性应变的关系。研究表明:对于各向同性固结软黏土,初始累积塑性应变为负应变,并随着振动次数的增加而逐渐增大(负应变),而K 0固结的初始累积应变为正应变;K 0和振动频率的减小增大了土样的初始累积塑性应变,加快土样破坏速度。在试验结果的基础上,确定软化指数与振次的对数关系表达式,引入累积塑性应变影响因子ζ,建立原状软黏土累积塑性应变模型,为预测和计算地基土层的长期沉降变形提供理论依据。