软岩中TBM停机状态下岩机相互作用规律研究

在软岩环境下使用TBM施工时,遇卡机等事故处理和设备检修更换常需TBM停机,预留变形量和停机时间是TBM安全运行的关键。依托白龙江引水工程六盘山泥岩隧洞,根据实际地质条件、隧道结构和TBM施工流程,采用数值计算的方法研究了TBM停机状态下围岩的变形特征及其与护盾的相互作用,并分析了合理的预留变形量和停机时间。结果表明:①该工程砂质泥岩为极软岩,流变性显著且服从Cvisc和Burgers模型,预留足够的变形量和快速掘进可保证TBM安全通过;②在停机期间,围岩变形具有显著时空效应,变形先快后慢,垂直位移大于水平位移,护盾后部围岩位移大于前部;③岩机相互作用的时空效应表现为,自下而上、由后至前,相继经历无接触-局部接触-完全接触-强烈挤压的过程;④预留变形为10 cm时的TBM安全停机时间不宜超过7 d。研究成果对认识软岩中TBM停机期间岩机相互作用具有理论参考意义。

基于CVISC模型的隧道式锚碇围岩的长期稳定性研究

基于室内岩体与混凝土接触面的长期抗剪强度试验及岩石单轴压缩流变试验,进行了隧道式锚碇围岩流变特性研究分析,得到相关的力学参数指标,并以此为基础,利用FLAC3D软件内嵌CVISC流变本构模型开展隧道式锚碇系统围岩的长期稳定性分析。结果显示:在设计主缆力作用(1 P条件下)下的100年内,锚碇区围岩及锚塞体混凝土与围岩接触面的长期变形较小,锚碇区范围内的围岩塑性区呈现零星分布;在设计主缆力荷载值作用下围岩长期流变对隧道式锚碇的长期稳定性影响不大,隧道式锚碇系统的变形与安全性符合工程设计的要求。研究思路也为其他类似工程的研究提供了借鉴。

基于软弱夹层蠕变特性的边坡长期稳定性分析

通过软弱夹层剪切蠕变试验,探究软弱夹层蠕变特性对边坡稳定性的影响,根据Cvisc蠕变本构模型拟合试验曲线,并采用有限差分数值计算方法对含软弱夹层边坡进行蠕变计算,分析了边坡长期位移和剪应变增量的变化。结果表明,软弱夹层具有典型的蠕变特性;采用Cvisc模型进行数值计算得到的结果较符合实际监测数据;软弱夹层的蠕变特性不仅使位移量值增加,也使边坡整体位移分布形式和方向发生显著变化,且坡顶和坡中位移值较大;坡体剪应变增量经历了出现、扩展到趋于稳定的过程。

锦屏深埋长大引水隧洞围岩蠕变特性仿真分析

针对锦屏二级水电站深埋长大引水隧洞围岩蠕变特性研究,对锦屏二级水电站的板岩进行了长达两个月的长期剪切流变试验。应用FLAC3D软件中粘弹塑性本构模型(Cvisc模型),对模拟结果进行分析,隧洞开挖后,围岩变形和应力均迅速变化,持续50天左右,围岩变形趋于某一稳定值,隧洞断面收缩量达3.5%左右,说明隧洞板岩具有硬质和完整的结构,其变形量不大,围岩变形均随时间增长而逐渐趋于收敛状态。

软弱夹层岩质边坡长期稳定性研究

为了研究软弱夹层对岩质边坡长期稳定性的影响,以炭质泥岩软弱夹层为例,基于Cvisc蠕变本构模型,采用强度折减法对所研究的岩质边坡的长期稳定性进行了FLAC3D分析,并与相同条件下弹塑性模型FLAC3D计算结果进行了对比。结果表明:考虑软弱夹层的蠕变特性与否,对边坡的长期稳定性影响很大,当考虑其蠕变特性时,软弱夹层中监测点最终位移量是不考虑蠕变特性时的2~2.5倍;考虑蠕变特性时的边坡安全系数为1.26,不考虑蠕变特性时的边坡安全系数则为1.43,相比之下,前者比后者的边坡安全系数降低了15%,充分表明了炭质泥岩软弱夹层的蠕变特性对边坡稳定性的影响。

考虑岩土蠕变特性的边坡长期稳定性研究

基于FLAC3D的Cvisc模型,采用考虑岩土蠕变特性的强度折减法对十堰某建筑场地边坡进行稳定性计算,得到了监测点在不同折减系数下的蠕变曲线。对蠕变曲线的位移变化规律进行分析,确定了边坡工程的长期稳定性系数。与传统强度折减法进行比较,结果表明:考虑岩土体蠕变特性时的边坡稳定性系数为1.18,不考虑岩土体蠕变特性的边坡稳定性系数为1.30,说明岩土体蠕变特性不利于边坡的长期稳定,建议采用稳定性系数1.18作为边坡支护的设计参数。

全风化花岗岩力学性能试验及蠕变参数反演

以贵广线东科岭隧道为工程背景,开展了全风化花岗岩的常规力学性能试验和单轴压缩蠕变试验,并通过基于遗传算法的位移反分析,得到不同含水率条件下的蠕变参数。通过蠕变模型辨识,引入摩尔库仑塑性元件,将其与黏弹性Burgers模型串联起来,建立了六元件黏弹塑性Cvisc蠕变本构模型,得到了全风化花岗岩单轴蠕变数值曲线。

石膏矿房矿柱长期稳定性数值模拟研究

研究矿房矿柱在上覆岩层荷载作用下的长期稳定性对于保证石膏矿安全生产具有重要意义。运用FLAC3D软件粘弹塑性本构模型(cvisc模型),对石膏矿房矿柱的长期稳定性进行了数值模拟研究。结果表明:巷道开挖后,顶底板移近量随着时间的延长而增加,最终趋于稳定;模拟10年内矿房顶底板移近量最大达到185.368 mm,两帮最大达到67.734 mm,但整体来说矿房变形量相对较小;模拟矿柱所受最大垂直应力,计算得到矿柱安全系数为1.84;矿房矿柱能够保持长期稳定。研究结果对类似条件下矿房矿柱的合理设计和稳定性分析具有重要指导意义。

软基拼宽引发邻近桩基病害分析及处治方案

针对软基拼宽及地铁施工扰动引起邻近既有桥梁桩基病害的实际工程问题,在FLAC^(3D)软件中建立三维模型,充分考虑软土的蠕变特性和桩土间的相互作用,采用黏弹塑性Cvisc本构模型模拟各近接工程施工及桩基病害发展的全过程.在与现场实测数据对比验证后,进一步分析在不同施工工况下桩身位移与内力的响应,定量判断桥梁桩基桩身的病害情况,为后续加固设计提拱依据.计算结果表明,病害的主要原因是软基拼宽后引起淤泥层长时间的水平向蠕变,使邻近刚性桩上水平推力大增,最终导致破坏.结合工后变形尚未稳定且桥梁桩基紧邻地铁隧道的实际情况,提出桩基主动托换的病害整治方案,并进行数值模拟.

考虑基岩蠕变特性的重力坝深层抗滑稳定性分析

对于坝址岩性软弱的重力坝,其基岩的蠕变特性导致地基应力随时间不断调整,目前采用的弹塑性计算无法得到坝体的长期深层抗滑稳定性。通过典型算例,分别采用基于Cvisc模型的考虑蠕变的强度折减法以及常规的弹塑性强度折减法进行深层抗滑稳定计算,并对结果进行比较。结果表明,考虑基岩的蠕变特性时,重力坝的深层抗滑稳定安全系数偏小,而坝体失稳时的特征点位移值偏大。当重力坝的基岩较软,蠕变特性较明显时,必须充分考虑基岩的蠕变特性对坝体深层抗滑稳定性的影响。

花岗岩和砂岩流变力学特性试验研究

隧道稳定性与围岩的流变特性息息相关。依托赣深高铁隧道工程,结合室内试验与理论分析方法,研究了花岗岩和砂岩的围岩流变特征,得到了花岗岩、砂岩的流变曲线,获得了其流变参数,揭示了围岩时间效应的变形机制。研究表明:花岗岩流变特征符合Burgus模型,该岩体在低应力时马克斯维尔剪切模量G m随荷载增大而减小,粘滞系数ηm随荷载增大而增大,凯尔文剪切模量G k和粘滞系数ηk均随荷载增大而增大;砂岩流变特征符合Cvisc模型,其马克斯维尔弹性模量E m随荷载增大而增大,粘滞系数ηm随荷载增大而减小,而凯尔文蠕变参数E k、ηk的变化规律不明显。研究结论对于花岗岩、砂岩围岩条件下适应仰拱封闭距离确定具有重要意义。

沿空留巷充填体蠕变特性数值模拟

结合沿空留巷井下充填体的力学特性,得出充填体在井下基本呈现单轴压缩力学状态,进而选用FLAC3D数值模拟软件中的Cvisc模型对充填体蠕变特性进行分析,得出充填体在逐级加载条件下先后经历瞬时变形,稳定蠕变和加速蠕变3个阶段。其中,加速蠕变阶段充填体很快破坏,且加载强度基本在其本身强度的70%~72%;然后设计充填强度分别为3 MPa和5 MPa 2种方案对煤矿现场实际开采情况进行模拟,得出在不考虑充填体蠕变特性的情况下,3 MPa的强度就可以满足留巷要求;但引入时间效应后,充填强度为3 MPa的方案在1.6年后充填体承载失效,留巷失败,故最终确定了强度为5 MPa的充填方案。经过现场实践检验,充填体强度合理,留巷取得成功。

深埋平行巷道布置间距和支护时机合理性分析

深埋平行巷道埋深大,原岩应力高,为了确保围岩的稳定性,保障煤矿企业的安全生产,合理选取平行巷道净距和合理的支护时间是巷道设计和施工的关键。基于Cvisc流变黏塑性模型,重点分析在不同净距下围岩变形量随时间的变化关系,从而确定平行巷道合理净距的范围并提出巷道合理的支护时间为围岩的等速流变期。结果表明,W/D≥2.0可作为巷道合理净距的条件;在等速流变期对巷道进行二次支护可改变围岩位移流变曲线的发展趋势,能有效地控制巷道围岩变形。

基于Verhulst灰色模型的矿山巷道流变性围岩地质工学参数智能反分析

采用基于灰色Verhulst模型(GVM)的智能反分析(IBA)方法确定隧道围岩的岩土参数,并通过对朝鲜“6.13”煤矿−600 m水平主巷道试验验证了该方法的准确性。用于反分析的位移分量为开挖结束时监测到的拱顶沉降和边墙收敛量,以及GVM预测的最终闭合量。利用FLAC3D的人工神经网络(ANN)和Burgers蠕变粘塑性(CVISC)模型,得到了位移与反分析参数之间的非线性关系。然后,利用遗传算法(GA)确定了隧道围岩的最优参数,并利用GVM预测了最终开挖和闭坑时的两组实测位移。采用反分析参数数值模拟的计算位移与原位位移的最大绝对误差(MAE)和标准差(Std)分别小于6 mm和2 mm。结果表明,该方法可用于确定巷道、地下空区、矿山空场和采场的设计参数和稳定性。

蠕变作用下洞径对大埋深软岩盾构隧道力学特性研究

为解决大埋深软岩盾构隧道衬砌结构的稳定性问题,依托广佛环线广州南站至白云机场段工程段盾构隧道工程,采用YSJ-01-00岩石三轴压缩流变试验机对泥质砂岩试样进行了室内蠕变试验,确定了数值模拟中Cvisc模型描述隧道泥质砂岩的蠕变特性的适用性;采用数值模拟对围岩蠕变作用下大埋深软岩盾构隧道力学特性展开了探究,结果表明:蠕变过程分为逐渐衰减和稳定蠕变两个阶段,围岩蠕变会造成内力值、弯矩以及应力值增加,从而使盾构隧道管片结构变形更加严重;当洞径不同时,其产生的围岩蠕变过程中,弯矩值、轴力值、变形值、应力值的变化趋势基本相同;如果洞径持续增大,其周边的岩石产生的压力更加明显,尤其集中体现在衬砌结构(管片)上,衬砌变形程度也更大;管片衬砌外侧接触压力与洞径成正比,同时拱腰处的接触压力所受到的影响相对较大。研究结果可为大埋深软岩盾构隧道的设计和施工提供指导。

岩石蠕变特性试验研究

针对大安山煤矿+550水平西二石门围岩蠕变变形严重的问题,采用室内蠕变试验与理论分析相结合的方法研究岩石蠕变特性。选取泥质粉砂岩作为软岩试样,通过自制三轴蠕变仪对所取岩样进行恒围压分级增轴压的三轴压缩蠕变试验,结果表明:随应力水平的提高,起始蠕变速率增大,进入稳态蠕变阶段用时延长,稳态蠕变速率从0h-1增大到3.12e-4·h-1,瞬时应变以线性关系增加,围压9MPa条件下的起始蠕变应力阈值为6MPa,当应力水平超过岩石长期强度时出现加速蠕变。基于蠕变试验规律,考虑起始蠕变应力阈值,将一种可用阶跃函数表示的开关元件与广义K体并联,并引入损伤元件对CVISC蠕变模型进行改进。采用1st-Opt中的Levenberg-Marquardt+通用全局优化法计算蠕变参数并进行反演。反演结果表明理论曲线与试验曲线的吻合效果较好,证明了所建模型的合理性。上述研究成果可为岩石工程的长期稳定性分析提供试验和理论依据。