双护盾TBM穿越强风化岩层加固技术研究

双护盾TBM因其施工效率高、作业安全等优点,如今在城市地铁隧道开挖中得到越来越广泛的应用。然而,由于双护盾TBM的机械结构和施工模式,要求对围岩的强度和完整性较高,难以适应局部含有强风化岩石的地质段开挖。针对双护盾TBM在强风化岩层中开挖所面临的支撑不稳定、姿态易偏差和围岩稳定性差等问题,以青岛地铁6号线中德工业园站—生态园站区间隧道工程为背景,首先提出强风化岩石地层的注浆加固工艺,然后结合室内试验和颗粒离散元软件PFC2D,模拟强风化岩层破碎带注浆加固前后撑靴与围岩的相互作用情况。最后,将模拟结果与实测数据进行对比,验证模型的可靠性。研究结果对于指导在类似地质条件下使用双护盾TBM进行施工具有借鉴意义。

基于PFC2D边坡失稳破坏研究

采用颗粒流离散元数值方法对典型边坡算例失稳变形破坏过程进行计算模拟,模拟中利用数值试验方法建立起宏观与微观力学参数关系,进而确定计算用微观参数。计算结果与典型考核算例基本吻合,从而说明计算的有效性,同时计算表明利用PFC2D方法可以自动搜索确定失稳滑移面,表现破坏发展过程,在破坏过程中黏土力链不断断裂,但由于滑动摩擦和颗粒间接触作用仍能维持部分黏土力破坏区域岩土体的稳定,因而黏土力断裂区域范围大于失稳范围,从而提高了对边坡失稳的认识。

新疆天池南露天矿内排土场高段排土边坡稳定性分析及排土方案

为解决新疆天池南露天矿工作帮剥离物水平较高,内排土场下部台阶容量较小,上部容量大,导致物料下运困难的难题。采用PFC2D软件用于模拟边坡,结合小尺度试验,在西帮选取2个剖面,分别计算了边坡的安全稳定性并设计排土方案。结果表明,两个剖面的安全稳定系数分别为1.223和1.235,提出建立580~550 m与370~325 m排土台阶的设计方案,用以解决物料排弃过程中存在的安全隐患。同时提出在高段排土技术运用成熟且对排土空间需求增大后,在580 m水平试行建立595 m水平45 m排土台阶。

平硐溜井系统矿石运动状态及井壁破坏数值模拟

在露天矿平硐溜井系统中,矿车卸下的矿石落入溜槽,运动一段时间后进入溜井,并在井壁上产生严重的冲击破坏。以华新钻沟石灰岩露天矿山为例,利用PFC^(2D)软件建立平硐溜井系统的数值模型,分析矿石的运动状态,以冲量为指标,研究溜井井壁的冲击破坏特性。研究结果表明:矿石从堆积形态逐渐发育成稳定矿石流后,矿石沿着溜槽滚动。矿石进入溜井后,初始碰撞位置比较固定,由于矿石间相互作用的影响,矿石后续运动状态比较复杂。初始碰撞位置距离井口5~10 m,破坏最大,需要重点防护,其他位置井壁的破坏相对较小。

柔性石笼挡墙变形受力的PFC^(2D)数值模拟

石笼挡墙作为一种新型的挡土结构,在国内的应用还不够多,同时在已建或待建的挡土工程中,也出现了传统的挡土结构很难解决的情况,文章针对这种状况,引入了石笼挡墙这种柔性构筑物,并建立了石笼挡墙的PFC2D模型,从对墙面侧向位移的量测中,提出了行车荷载对挡墙的影响深度,研究了石笼墙背土压力,对回填土的受力特性划分了5个阶段,阐明了经过初期的荷载作用,挡墙与回填土的共同体达到了平衡状态,分析了挡墙墙背的侧向位移,指出了这种柔性结构能很好地消散土压力的作用。

基于正交设计的颗粒流模型宏细观参数相关分析——以岩石单轴压缩数值试验为例

分析颗粒流模型中宏细观参数的关系,可为细观参数的匹配提供依据。以平行黏结模型作为基本模型,以单轴压缩数值试验作为宏观参数测试方法,对数值试验进行正交设计,采用多因素方差分析研究细观参数对宏观参数的影响。结果表明:弹性模量E主要受Ec(珔Ec)影响;泊松比γ主要受kn/ks(k珋n/k珋s)影响;单轴抗压强度σn主要受平行黏结强度参数σcn,τcs,SD/Mean影响;μ对宏观强度参数没有显著影响,而对宏观变形参数具有一定影响;RA只对泊松比γ存在一定影响。在此基础上,建立了针对岩石单轴压缩数值试验的细观参数匹配方法。

基于PFC^(2D)数值试验的异性结构面剪切强度特性研究

天然岩体中广泛发育两侧岩性不同的异性结构面,开展异性结构面变形和强度特性研究旨在为岩体稳定性评价和利用提供依据。选取三峡库区侏罗系典型的砂岩-泥岩异性岩层,首先运用分形几何理论,定量计算了平直和4种不同不规则起伏形态结构面的粗糙度系数JRC值,然后基于PFC^(2D)颗粒流程序,分别开展了以上5种形态异性结构面的数值剪切试验,获得了各形态结构面在不同正应力下的剪切应力-位移曲线。根据数值试验结果,采用巴顿的JRC-JCS模型分析了异性结构面强度特性,并与同性结构面强度性质进行对比研究。最后,在考虑异性结构面剪切破坏机制的基础上,引入强度因子的概念,提出了新的适用于异性结构面强度评价的两类改进巴顿准则。研究结果表明:异性岩体结构面抗剪强度介于相同粗糙度的两种同性结构面强度之间,在较低正应力下接近软岩同性结构面强度,符合Ⅰ型改进巴顿准则;在较高正应力下偏向硬岩同性结构面强度,符合Ⅱ型改进巴顿准则。实际工程中可利用改进准则并根据异性结构面应力状态对岩体稳定性进行评价,弥补了以往研究的不足。

聚合物/金属摩擦界面迁移过程的数值模拟

聚合物材料在与金属对偶件滑动接触时,会在摩擦界面上发生界面迁移,导致在金属对偶件表面形成一层转移膜.转移膜的存在能够有效地降低聚合物材料的磨损.本文基于离散单元法,利用二维颗粒流程序(PFC2D),对PTFE/45钢界面迁移过程进行数值模拟分析.模拟结果表明:PTFE与45钢组成摩擦副时,会在45钢表面形成一层转移颗粒层.一开始转移颗粒数逐渐增大,一段时间后随着转移颗粒层的形成与完整,转移颗粒数趋于一个定值且保持动态平衡,磨损颗粒增加速率显著下降,并维持在一个稳定的值.

开挖扰动下矿柱损伤破裂失稳细观机制研究

为揭示开挖扰动下矿柱损伤破裂失稳的细观机制,以盘龙铅锌矿采场间柱破裂为原型,运用PFC^(2D)对其破坏机理进行反演分析,建立基于声发射累计数的尖点突变失稳判别模型。研究结果表明:采空区上方形成压力拱,拱内岩体自重转移到附近围岩和矿柱,产生应力集中;矿柱受压逐渐产生损伤,其损伤破裂失稳演化过程分为3个阶段:弹性阶段、屈服阶段、失效阶段;矿柱内部以拉裂纹为主,细观破坏形式主要为拉伸破坏,宏观表现为剪切滑移破坏。经验证,基于声发射累计数的尖点突变模型能够有效判别矿柱失稳状态。

桩墙结构的颗粒流数值模拟研究

利用PFC2D(particle flowcodein two di mensions)平台和内置的fish语言,对桩墙、支撑等围护结构可以通过利用颗粒圆筒和平行粘结(the parallel-bond model)本构模型建立数值模型进行数值试验。通过对数值模型的端部施加各种荷载数值试验和三弯点应力数值试验,分别得到其变形、最大应力和弯矩,并与理论解进行对比,结果证明了颗粒流PFC2D能够用于分析围护结构在外荷载作用下的宏观力学响应,为颗粒流理论能够运用到复杂的结构分析中奠定了坚实的理论基础和合理的模拟途径。

沥青结合料离散元模型

基于Burgers流变模型,可以利用中心差分法建立并推导沥青结合料的离散元模型,并可使用二维颗粒流模拟程序(PFC2D)实现从数值上预估沥青结合料的流变特性。该模型和PFC2D预测结果的高可靠性均得到了充分的验证。

砂土盾构隧道掘进开挖面稳定理论与颗粒流模拟研究

盾构法隧道施工过程中,土体密实度对开挖面极限支护力值与稳定性影响是一个非常重要的因素。基于Kirsch室内模型试验,采用颗粒流计算分析了隧道掘进过程中土体密实度对开挖面极限支护力、残余支护力以及开挖面前方土体孔隙比变化的影响,从细观角度解释了砂土中盾构隧道开挖面失稳机理,分析了砂土中盾构隧道掘进时土体破坏形态与分布范围;进而提出了计算开挖面极限支护力的改进楔形体分析模型。研究成果可为盾构隧道施工中分析开挖面的稳定提供参考。

离散元表征的级配碎石加州承载比细观力学行为研究

基于离散元法构建符合真实级配的石灰石碎石二维细观模型,确定模型的细观参数与加载速率,研究级配碎石的加州承载比(CBR)试验。通过对试验和模拟中贯入力-贯入量曲线以及CBR值进行对比验证,验证模型的合理性与正确性。分析加载后的主应力方向、接触力链和位移矢量等细观机制变化规律。分析加载速率、摩擦因数与刚度比等参数对石灰石碎石CBR值的影响。研究结果表明:随着加载速率的降低,CBR数值基本呈缓慢降低的趋势;集料的纵向变化明显于横向变化,离散元模型能够较好地反映级配碎石的细观作用机制;颗粒间摩擦因数的增加能够明显提高级配碎石的抗压能力,碎石体系的抗变形能力随着法向刚度大小增大而增大。

基于颗粒流的含交叉裂纹类岩石水力致裂细观机理研究

针对目前岩石在水力耦合作用下交叉裂纹扩展机理认识不足的问题,采用颗粒流软件(PFC2D)的平直节理接触模型和流域法,模拟计算含交叉裂纹的类岩石三轴压缩水力致裂过程,分析双向水平主应力差和主、次裂纹倾角对水力裂纹起裂、扩展及贯通的影响规律,并揭示其细观断裂机理。研究结果表明:数值模拟与试验结果吻合较好。当有或无水平主应力差时,水力裂纹沿着或偏离水平最大主应力方向扩展,与交叉裂纹贯通或不贯通,细观机理均为拉伸断裂。增加水平主应力差可明显降低临界水压力,易形成网状裂纹,有利于提高资源开采效率。

考虑岩石细观结构的PFC模型及一种新的标定流程

针对目前颗粒流方法(PFC)常用的标准结合粒子模型(BPM)存在的问题,应用了一种新的脆性簇平行黏结模型来考虑脆性花岗岩中不规则矿物颗粒的强咬合作用,以模拟花岗岩的高强度比值(单轴抗压强度与抗拉强度之比)和脆性破裂特征.研究了脆性簇平行黏结模型中几个主要微观参数与模拟材料宏观性质的关系,并据此提出了该模型的一种新的标定流程.采用声发射监测花岗岩室内单轴压缩试验裂纹扩展过程,同时利用本文提出的标定流程对花岗岩进行标定,观察到室内试验与标定模型破坏过程基本一致,标定误差在3%以内,验证了本文提出的标定流程的有效性和该模型模拟过程的可靠性.

超高周疲劳作用下花岗岩裂纹演化过程研究

为探索超高周疲劳作用下花岗岩内部裂纹的演化机理,构建符合矿物实际分布特征的颗粒流模型,对其进行超声疲劳加载,通过超声疲劳试验加以验证。结果表明:超高周疲劳作用下,花岗岩微裂纹主要由拉张应力机制产生的。在宏观裂纹出现前,矿物晶体边界微裂纹占主导,随宏观裂纹出现,晶内裂纹占比逐渐增大并处于主导地位。

裂纹几何配置对裂隙砂岩力学特性及破坏模式的影响

天然岩体常常包含不连续体,比如孔隙、裂隙、断裂以及其他缺陷等,这些缺陷的存在将导致岩体力学强度产生较大的劣化作用。为了研究不同裂纹几何配置对裂隙砂岩力学特性、裂纹扩展演化及断裂机制的影响,基于室内砂岩力学参数测试结果,借助颗粒流平行黏结模型对预制裂隙试样进行一系列的模拟研究。结果表明:当裂隙倾角恒定时,随着岩桥角度的增加,砂岩峰值应力与峰值应变呈现出先降低后增加的趋势;当岩桥角度恒定时,峰值应力与峰值应变随着裂隙倾角的增加而增加。初始裂纹从预制裂隙尖端萌生,起裂应力水平为0.68σ_c;累积微裂纹数呈指数函数形式增加;试样破坏形式主要有拉伸破坏、剪切破坏及拉剪混合破坏;岩桥贯通模式主要有间接贯通和直接贯通两类。

含水泥岩卸荷蠕变数值模拟及劣化机制研究

为揭示含水泥岩卸荷蠕变破坏机制,开展不同含水率泥岩升轴压卸围压蠕变试验、细观结构测试及数值模拟分析。试验结果表明,含水率对泥岩蠕变变形影响显著,且同一蠕变应力水平下,轴向应变受含水率影响显著大于侧向。SEM图像分析表明,含水率增大导致泥岩内部孔隙度增大,矿物颗粒被溶解弱化,由致密程度好、强度高向强度低、疏松多孔不规则的堆积结构转化;并基于真实的泥岩细观结构特征,生成了统计学上等价的细观结构网络,建立了相应的GBM-PSC数值模型,并进行了验证。数值模拟计算结果发现,各类微裂纹数量均随含水率增大而增加,晶内张拉裂纹数量呈先增大后稳定再增大趋势,而晶间剪切裂纹数量则随含水率增大而持续增加;接触切向力角度偏转值及平均孔隙度均随卸荷蠕变时间增大呈先减小后稳定再增大趋势,且含水率越大,变化趋势越显著。最后,建立干燥及含水泥岩三阶段卸荷蠕变劣化演化模型。研究结果可为水作用下软岩工程开挖卸荷蠕变变形破坏机制研究提供一定的理论参考。

沥青混合料细观结构离散元分析

为了在细观层次上分析沥青混合料的力学特性,本文用多边形单元模拟粗集料,球形单元粘结在一起模拟沥青玛蹄脂,在细观尺度上建立比较直观、清晰的离散元数值模型,采用3种接触模型描述沥青混合料内部的相互作用,并进行单轴压缩虚拟试验,分析沥青混合料的变形与应力情况。论文对虚拟试验结果进行分析,得出一些重要结论,并对本文的后继研究提出有意义的建议。