千米深井井壁与围岩共同承载理论研究及应用

为了解决传统井壁设计理论无法合理计算超千米深井井壁的难题,以磁西矿1341.6 m深副立井井壁设计为工程背景,通过分析千米深井力学作用机理,将井壁与围岩纳入统一的力学模型,并引入水土耦合作用机理,建立井壁与围岩固液耦合作用力学模型。根据厚壁圆筒理论和第三强度理论,得到了井壁与围岩共同承载理论井壁厚度计算式。根据井壁与围岩共同承载理论表达式可知,影响井壁合理厚度的因素包括井壁与围岩的抗压强度、弹性模量、剪切模量和泊松比、岩层含水渗透压等物理力学参数。应用该理论计算了磁西一号矿井副立井井壁厚度:泥岩段(埋深1280 m)井壁合理厚度计算结果为0.852 m,设计取0.9 m;砂岩段(埋深1200 m)井壁合理厚度计算结果为0.747 m,设计取0.8 m。井筒自设计施工完毕使用至今,井壁完好,满足了安全生产需要。工程应用表明:井壁与围岩共同承载理论及井壁厚度表达式符合超千米深井井壁安全设计要求。

不良围岩条件下水电站调压井衬砌结构选型研究

目前工程上比较常用的水电站调压井衬砌结构型式有两种,一种结构型式是钢筋混凝土衬砌结构型式,另一种结构型式是钢衬加回填混凝土衬砌结构型式。本文针对围岩条件比较破碎,裂隙发育的调压井洞室结构,就两种衬砌结构型式分别进行了高水头作用下的有限元数值模拟,从调压井衬砌结构选型角度分析对比了两种衬砌结构型式在围岩及衬砌结构应力与变形、衬砌结构钢筋混凝土开裂、围岩与衬砌结构联合承载、结构安全储备、经济等方面的优劣。

考虑围岩共同承载作用时井壁受力响应空间弹性力学分析

煤炭资源的开发利用离不开立井建设,立井建设中的井壁设计应该充分考虑围岩作为共同承载结构的作用。本文针对井壁和围岩的共同承载特征,建立空间轴对称弹性力学模型;通过将模型分解,分别求解各子模型下的应力解答,随后将各子模型下的应力解答叠加,得到井壁-围岩共同承载空间弹性力学模型的解答。通过算例分析了不同围岩弹性模量时围岩-井壁的共同承载特性:围岩弹性模量较高时,考虑共同承载后作用在井壁的地压大幅减少,井壁等效应力也大幅减小;围岩弹性模量较低时,考虑共同承载后作用在井壁上的地压未有明显减小,井壁等效应力同样变化不大。围岩性质较好时,应充分利用围岩共同承载,减小井壁厚度;围岩性质较差时,围岩的共同承载对井壁安全性提高作用不大。论文的研究成果可以为不同围岩的井壁设计提供理论指导。

基于均匀设计-响应面-有限元法的软岩隧洞围岩与衬砌结构协同承载可靠性分析

软岩隧洞围岩力学特性和衬砌结构受力皆具有显著的随机性、未确知性等不确定性,基于确定性分析的结构安全设计方法往往难以全面合理地反映软岩隧洞工程的复杂性;传统的可靠度计算理论则对于由围岩和支护系统构成的地下结构真实的功能函数无法从理论上给出显式表达,从而制约了可靠度计算理论在隧洞工程中的应用。在以数理统计方法为核心的可靠度计算理论基础上,结合均匀设计方法、响应面法和有限元数值模拟方法,借助于《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)中衬砌结构的承载力极限状态函数,构建了围岩和衬砌结构协同承载的荷载效应响应面显式表达式,由此提出了一种软岩隧洞围岩和衬砌结构协同承载的可靠性评价方法。采用该方法分析了影响联合承载特性的单因素随机变量,辨识了影响围岩和衬砌结构协同承载可靠性的主要因素,最后将该方法应用到具体工程中进行检验。通过与传统可靠度计算方法进行对比可知,该方法满足了精度,简化了流程,提高了效率,表明其具有很好的适应性和可行性。

超大跨度隧道围岩支护体系构件化设计方法及其应用研究

为解决超大跨度隧道围岩和支护结构的稳定性问题,实现支护结构设计的定量化,根据初始地应力对围岩承载拱受力的影响,得到围岩受力最优的开挖轮廓线形状,提出围岩支护结构体系构件化设计方法,即将隧道周边一定范围内的围岩圈作为一个拱形结构进行强度、刚度和稳定性计算,进而设计锚杆、锚索、喷射混凝土和衬砌等支护结构。围岩支护结构体系构件化设计方法成功应用于京张高铁八达岭长城站超大跨隧道的设计中。实践表明,在采用该方法设计的支护结构体系作用下,大跨段拱顶最大累计沉降仅为17. 3 mm,拱顶相对下沉仅为0. 09%,能够满足工程安全需要。