Influences of material dilatancy and pore water pressure on stability factor of shallow tunnels

Explicit finite difference code was used to calculate the stability factors of shallow tunnels without internal support in limit state. The proposed method was formulated within the nonassociative plasticity. For the shallow tunnels in soft clay, without considering the influences of pore water pressure and dilatancy, numerical results were compared with the previously published solutions. From the comparisons, it is found that the present solutions agree well with the previous solutions. The accuracy of the strength reduction technique was demonstrated through the comparisons. The influence of the pore water pressure was discussed. For the shallow tunnels in dilatant cohesive-frictional soils, the dilatant analysis was carried out.

富水浅埋方形隧道围岩稳定性分析

方形隧道由于空间利用率较大,被广泛应用在城市隧道修建中。受限于复杂的边界条件,且方形拐角易出现应力集中现象,方形隧道围岩稳定性分析更为困难。因此确定合理的极限支护压力对于防止隧道塌方事故的发生和保证施工安全具有重要的意义,尤其是对于穿越富水地层浅埋隧道。在极限分析上限定理的框架下,构建了方形隧道围岩平移破坏机制,该机制考虑了土体破坏延伸至地表的情况。与现有结果表明,当前方法计算精度更高,最高提升了10.5%,且对于隧道围岩稳定性问题具有更强的适用性。采用系数法考虑了孔隙水压力的不利作用,结果表明:隧道围岩极限支护压力随着摩擦角和黏聚力增大而线性减少,随着孔隙水压力系数增大而增大。最后给出了系数选取方法,以便工程中使用。

考虑孔隙水作用的浅埋隧道围岩变形规律分析

为研究孔隙水作用下浅埋隧道围岩的变形规律,以甘肃省平凉市潘城隧道为例,采用FLAC 3D有限差分软件,建立浅埋隧道三维数值模型,分析隧道围岩竖直位移(顶板下沉量)和水平位移(边墙移近量)随孔隙水压力的变化规律,获得不同孔隙水压力系数下的最大顶板下沉量和边墙移近量.并将数值模拟计算结果应用到潘城浅埋富水隧道施工中,使隧道顶板下沉量和边墙移近量均控制在规范要求的安全范围内,为潘城隧道右线施工提供了理论指导.

海洋浅表层沉积物和孔隙水的天然气水合物地球化学异常识别标志

天然气水合物是一种赋存在低温、高压条件下海底沉积物中的规模巨大的新型能源。研究表明,地球化学是识别海底天然气水合物赋存的一种有效方法。国际上通过分析由大洋钻探采上来的柱状沉积物和孔隙水的地球化学异常,己建立了一套较为成熟的地球化学识别方法。但是,在没有钻井岩心的情况下,如何通过浅表层(<20m)沉积物和孔隙水及底层海水的地球化学分析来识别海底可能存在的天然气水合物,是国际国内天然气水合物勘查中面临的一道难题。通过对国际上己有数据和资料的全面总结,尝试提出了一系列在海底浅表层条件下识别天然气水合物赋存的地球化学异常标志,包括底层海水的烃类气体及其同位素组成异常,沉积物中有机碳和水的含量异常,沉积物中孔隙水的元素和同位素组成异常,沉积物中气体含量异常及沉积物中自生碳酸盐矿物的化学和同位素组成异常等。这些标志的建立将有助于在我国海域开展天然气水合物的勘查工作。

鄂尔多斯盆地陇东地区长9油层组储层沉积学特征

通过对36口井的岩心观察描述和108件样品的铸体薄片鉴定、扫描电镜、物性、孔隙结构分析的综合研究,表明鄂尔多斯盆地陇东地区三叠系延长组长9油层组属于浅水三角洲沉积体系,储集岩主要为三角洲平原水上和前缘水下分流河道微相的灰色中-细粒岩屑长石砂岩,储集空间以剩余原生粒间孔为主,次为粒间和粒内溶孔,少量铸模孔,喉道以中、细喉为主,储层物性中等略偏差,属中-低孔、低渗孔隙型储层。储层发育受沉积作用、砂体厚度和成岩作用复合控制,可划分为4类储层,有利于储层发育的沉积微相依次为水下分流河道、水上分流河道及河口坝砂体,好的Ⅰ、Ⅱ类储层主要发育于水下分流河道砂体中。

浅埋煤层采动导水裂隙动态演化规律模拟分析

针对单一关键层浅埋煤层,采用实验室物理模拟揭示了采动导水裂隙动态发育规律。模拟结果表明,采动导水裂隙的演化分为发展期、贯通期和压实闭合期3个阶段;导水裂隙的动态发育受基本顶关键层控制;通过分析得出了防止工作面涌水溃沙的基本原理,能解决西部矿区保水防溃采煤的安全问题。

重叠隧道上覆地层变形规律分析

通过对深圳地铁Ⅰ期工程浅埋暗挖法施工的重叠隧道现场调研,并结合施工中的试验、监测成果对重叠隧道上覆地层(地表、地中)水平、竖向变形和隧道结构变形进行了综合分析,明确了富水含砂软弱地层地铁隧道拱顶沉降大于地表沉降的事实,得到地层变形的三维变化规律和重叠隧道分步开挖的施工时空效应;并实测得到未降水施工条件下隧道结构周边超静孔隙水压力分布及其随开挖变化规律。研究结果对于同类地层条件下地铁隧道设计、施工有一定的借鉴作用。

考虑孔隙水压力作用下浅埋黄土隧道稳定性的上限分析

由于黄土垂直节理发育导致浅埋黄土隧道的破坏模式不同于普通隧道,垂直节理的发育破坏了围岩的完整性和连续性从而降低隧道的稳定性,同时黄土的水敏性强,浅埋黄土隧道的稳定性受地下水的影响,目前研究浅埋黄土隧道稳定性问题的理论不够成熟。结合浅埋黄土隧道实际破坏形式构建二维有限多块体平动破坏模式,基于极限分析上限法和强度折减法同时考虑孔隙水压力的作用,利用Matlab软件求解浅埋黄土隧道的安全系数及破裂面范围。将求解的安全系数和既有的研究进行对比,验证了计算安全系数的合理性。分析不同参数对安全系数和破裂面范围的影响,研究结果表明:孔隙水压力对隧道稳定性和破裂面范围的影响显著,且不同孔隙水压力作用下浅埋黄土隧道的安全系数随参数变化的规律基本一致。可为浅埋黄土隧道的支护设计提供重要的参考依据。

孔隙水作用下浅埋圆形隧道支护反力上限计算

浅埋隧道的支护反力的确定是控制隧道围岩稳定性的关键,针对浅埋圆形隧道,基于极限分析上限定理和一定的假设,考虑了孔隙水压力作用,计算了内能耗散和外力功率,得到了孔隙水压力作用下浅埋圆形隧道的支护反力的上限解,将浅埋圆形隧道的支护反力求解转化成一个数学优化问题,并利用MATLAB编制相应计算程序。计算结果表明:埋深H、内摩擦角φ、洞径h、孔隙水压力系数λ都对浅埋圆形隧道的支护力有很大的影响。

凹陷地形对滑坡体渗流和稳定性影响的数值分析

基于现场地质调查和室内试验,再结合非饱和土力学理论建立计算模型,将孔隙水压力分布和非饱和强度理论应用到极限平衡法中,对降雨作用下秦巴山区紫阳县的凹陷地形滑坡体进行瞬态渗流、稳定性的饱和-非饱和数值计算。结果表明:凹陷地形易汇水并诱发滑坡,单位厚度坡体产生的最大孔压与该凹陷地形面积大小成正比;单位土层厚度的1 000 m2的凹陷地形范围内最大能产生1.47 k Pa的孔压。研究结果可供类似地形中滑坡体渗流和稳定性的数值计算参考。

风振影响下乔木坡地暴雨型浅层滑坡演化机制

强对流或台风等极端天气下乔木坡地发生浅层滑坡灾害往往是暴雨和强风共同作用的结果。以皖南山区一处暴雨型浅层滑坡——畈章组滑坡为例,通过现场调查和气象资料的分析表明,除暴雨外风荷载也有可能促进滑坡的启动。为揭示该滑坡启动与破坏后这一完整运动过程的演化机制,首先基于无限斜坡模型分析了实际降雨条件下的滑坡稳定性,然后对取自于滑坡体内乔木根系周围和滑动面附近的两种土样利用DPRI型环剪仪,分别开展了不排水循环剪切试验和自然排水残余剪切试验。结果表明:①降雨入渗引起滑动面孔隙水压力的上升,并导致稳定性的降低是畈章组滑坡启动的直接原因;②乔木根系周围的饱和土在风振作用产生的动剪切荷载下易形成高的超孔隙水压力,并导致浅表层的局部失稳滑动,增加了畈章组滑坡整体破坏的可能性;③滑动面土体的残余强度具有强烈的“正速率效应”,从而控制了畈章组滑坡启动后不会表现出高速远程的运动特征,与现场调查结论一致。研究结果可以为暴雨协同风振作用下富乔木坡地浅层滑坡的预警预报研究提供参考。

沙质岸坡上波浪传播变形及动力响应特性研究

波浪作用对水库岸坡稳定性有重要影响。为了解波浪在岸坡地形中的传播演变机制和孔隙水压力响应特性,在波浪水槽末端铺设长6 m、坡度1∶16的斜坡沙床进行试验。通过改变入射波浪参数,测量斜坡段各处波面形态,采集斜坡段不同位置处孔隙水压力,分析了波浪在沙质岸坡上浅水变形区域内波面变化特征、波能演变规律以及岸坡土体孔压特征。结果表明:随着入射波浪厄塞尔数的增大,波浪浅水变形更加明显,波形不对称性加剧,各阶谐波之间互相作用更加强烈;水深较大区域,岸坡渗透作用大于浅水变形作用,波高呈现减小趋势;浅水变形剧烈区,浅水变形作用大于岸坡渗透作用,波高呈现增大趋势,最终破碎;孔压随入射波高与波周期的增大而增大,岸坡不同位置处孔压沿深度衰减速率和随波高增长速率均不同;岸坡孔压沿深度衰减速率与入射波周期呈现出正相关关系,与波高并无太大关系。

浅水区海底管道周围海床孔压分布数值计算研究

针对我国海上油田开采起步较晚,大部分油田处于浅水区的情况,在研究管道稳定性时,应充分考虑浅水区波浪的影响。考虑管道为弹性体,根据Biot固结理论,基于近似椭圆余弦波理论,利用大型有限元软件ABAQUS建立浅水区海底管道周围海床孔隙水压力数值计算模型,讨论浅水波作用下海底管道周围海床超静孔隙水压力的分布规律,分析管-土接触作用、海床土性质以及埋置深度等因素对管道周围海床土超静孔隙水压力分布的影响。计算结果表明:管道与海床的相互接触效应对于波浪作用下管道周围海床中超静孔隙水压力的分布影响非常小;海床的渗透特性、孔隙率、弹性模量以及埋置深度对管道周围海床中超静孔隙水压力分布有明显影响,海床的渗透性越低,弹性模量越小,埋置深度越浅,管道越容易发生失稳。

黏土中宽浅式筒型基础与地基的地震响应

我国近海地基以软黏土地基为主,在地震频发的场地中,地震荷载的作用会导致浅层黏土地基的土强度发生弱化,而宽浅式筒型基础是一种新型的海上风电基础,其入土深度较浅,因此宽浅式筒型基础对地震作用下浅层土体的强度弱化较为敏感.为研究黏土中宽浅式筒型基础与地基的地震响应规律,以实际场地中原型宽浅式筒型基础为依据,参照原型宽浅式筒型基础的1阶自振频率设计并开展了一系列离心机振动台试验,监测了宽浅式筒型基础作用下黏土地基在震中和震后的孔隙水压力响应,分析了宽浅式筒型基础和黏土地基的加速度变化,研究了筒型基础作用下黏土地基的剪应力-剪应变关系,揭示了黏土地基中宽浅式筒型基础结构与地基的动力响应规律.结果表明,地震作用下黏土地基中的超静孔隙水压力累积存在滞后效应,且位于筒型基础中心线上土体的超静孔隙水压力相对较小,宽浅式筒型基础产生的大面积附加荷载作用有利于减小黏土地基振动弱化程度;随着埋深的减小,黏土地基的加速度在ELCentro波作用下呈线性衰减规律,在SIN波作用下呈非线性衰减规律,塔筒处加速度与基础顶盖处加速度相当且峰值加速度明显小于浅层地基;基础底面以下土体的应力应变滞回圈随埋深的增加而增大,而基础底面处土体的剪应变明显提高.

SV波入射下饱和地层浅埋平行隧道动力响应机制

目前城市核心区交叠紧邻的隧道群大量涌现,其抗震安全性问题日益突出,但近邻隧道之间以及与地层的动力相互作用机制尚不清晰.本文针对饱和地层浅埋平行隧道,基于Biot两相介质理论,采用边界积分方程法分别建立了饱和地层水平和竖向双线隧道动力作用分析模型,并与典型算例精确解对比验证了本模型的有效性;在此基础上,研究了SV波入射频率变化和双线隧道间距变化对隧道结构及周围地层孔隙水压力的影响机制,并以单条隧道分析结果为参照进行对比分析.结果表明:相比单条隧道,相邻隧道的存在改变了既有隧道的动力响应特征,且随着隧道间距的减小隧道响应变化更为明显,同时衬砌环向应力峰值显著增加;双线隧道周围地层孔隙水压力分布主要集中在隧道之间的区域内,且SV波低频入射下孔隙水压力峰值随间距的变小而增大;水平双线隧道的动力响应特征与竖向双线隧道不同,随着相邻隧道间距的减小,水平双线隧道的存在会显著放大隧道结构及周围地层的动力响应,而竖向双线隧道则会对垂直入射的SV波的传播起到阻滞作用,从而导致隧道及上部地表动力响应减弱.本研究可为饱和地层浅埋平行隧道抗震设计提供科学依据.

采动裂隙突水溃砂过程物理参量变化特征试验研究

采动破断裂缝沟通上部浅埋松软岩层导致水砂混合物溃入井下,对矿井生产及相关工程设施的安全造成严重的影响,因此,研究浅埋松软岩层采动裂隙突水溃砂机制对认清突水溃砂灾害本质具有指导意义。首先,通过创建的裂隙内砂体突涌力学模型,分析了裂隙突水溃砂发生的极限平衡条件。其次,利用突水溃砂试验系统,借助流量传感器和孔隙水压传感器进行了不同初始水压条件下人工模拟裂隙内水砂溃涌试验,获得了流量、孔隙水压等参数变化特征,定量化分析了裂隙突水溃砂各阶段内水砂运移特征及各物理参量关联性变化特征。试验结果表明:裂隙内水砂溃涌全过程可以划分为4个阶段,即溃砂启动阶段、持续溃出阶段、淤积堵塞阶段和溃出平衡阶段。在第1阶段,流量瞬间增大,各监测点孔隙水压瞬间降低;在第2阶段,水砂逐渐充满通道内径,孔隙水压及流量基本保持不变;在第3阶段,通道内砂体发生部分淤积,造成流量逐渐降低,孔隙水压逐渐增大;在第4阶段可分为2种情况,一是当本阶段水压低于极限水压时突水溃砂停止,二是当高于极限水压时水砂突涌持续并稳定。一定初始压力下,发生运移的砂体具有一定的空间范围,距裂隙较远处孔隙水压的变化具有滞后性;随着初始压力的增大,裂隙通道砂体淤积堵塞所需时间降低,导致砂体持续溃出时间降低;初始水压达到阙值后,裂隙内水砂溃出体积率达到峰值且水压稳定。裂隙突水溃砂结束后,随着初始水压的增大砂体中部形成“塌陷坑”的空间分布范围存在增大的趋势。

波浪作用下斜坡上单桩周围海床孔隙水压力响应特性试验研究

单桩基础周围斜坡海床中的波致孔隙水压力响应与纯斜坡海床存在较大差异。为了解不同波高、波周期条件下,单桩基础周围波浪传播变形及其对斜坡海床孔压振荡响应的影响,在波浪水槽末端铺设了长6 m、坡度1∶16的斜坡砂床进行试验。通过改变桩身位置和波浪参数,测量斜坡段各处波面形态,采集单桩周围孔隙水压力,分析了桩身位置及波浪参数对斜坡海床孔压响应的影响。结果表明:相同入射波条件下,随距坡脚水平距离增加,波高、近底流速和桩周孔隙水压力幅值都随之增大;桩周孔隙水压力幅值分布规律为:桩前孔压幅值明显大于桩侧与桩后孔压幅值。当Keulegan-Carpenter数大于6时,随着波高和波周期增大,马蹄涡产生的负压区使得桩侧海床孔隙水压力与纯斜坡海床孔隙水压力差值迅速增加。

黄泛平原区(1∶25万济南幅)浅层孔隙水多年动态变化特征

分析济南幅黄泛平原区浅层孔隙水的补给来源、地下水流场形态变化、地下水排泄途径及水化学多年变化特征,并结合区内浅层地下水开采强度资料综合研究认为,引起济南幅黄泛平原区浅层孔隙水动力场变化的主要原因是地下水开采量的变化与天然补给源的减少。研究表明,局部水位下降甚至产生超采漏斗主要是由于地下水长期过量开采引起的,并对区域地下水流场形态影响较大,区内已形成地下水分水岭。

细砾质斜坡海床上波浪的传播特性试验

为了解波浪在渗透性良好的斜坡海床上的传播演变机制,在水槽中开展细砾质斜坡海床上波浪传播特性试验,研究海床土体孔隙水压力响应特征、波浪在斜坡海床上发生浅水变形区域内波浪近底水平流速特性以及波浪在可渗透斜坡海床上的传播演变特性。试验结果表明:海床中超静孔隙水压力随着波浪波高和周期的增大而增大;近底水平流速随着波浪浅水变形程度的增加而增加;波浪厄塞尔数越大,斜坡上波浪浅水变形越明显,各谐波之间的波波相互作用越剧烈;在浅水变形初段,海床渗透作用大于波浪浅水变形作用,在浅水变形剧烈区域,波浪浅水变形作用大于海床渗透作用。

太原盆地地下水质量评价浅析

通过对太原盆地浅层孔隙水和中深层孔隙水进行水质分析及其水质评价,将太原盆地地下水水质进行分类,得出盆地内水质好坏的级别,可根据水质类型对用水使用目的进行选用。