Longitudinal vibration characteristics of a tapered pipe pile considering the vertical support of surrounding soil and construction disturbance

This research is concentrated on the longitudinal vibration of a tapered pipe pile considering the vertical support of the surrounding soil and construction disturbance.First,the pile-soil system is partitioned into finite segments in the vertical direction and the Voigt model is applied to simulate the vertical support of the surrounding soil acting on the pile segment.The surrounding soil is divided into finite ring-shaped zones in the radial direction to consider the construction disturbance.Then,the shear complex stiffness at the pile-soil interface is derived by solving the dynamic equilibrium equation for the soil from the outermost to innermost zone.The displacement impedance at the top of an arbitrary pile segment is obtained by solving the dynamic equilibrium equation for the pile and is combined with the vertical support of the surrounding soil to derive the displacement impedance at the bottom of the upper adjacent segment.Further,the displacement impedance at the pile head is obtained based on the impedance function transfer technique.Finally,the reliability of the proposed solution is verified,followed by a sensitivity analysis concerning the coupling effect of the pile parameters,construction disturbance and the vertical support of the surrounding soil on the displacement impedance of the pile.

软土地层隧道围岩分区初期支护技术研究

软土地层通常具有较低的承载力和较高的压缩性,隧道开挖过程中极易发生变形和坍塌。为了控制围岩的变形和破坏,确保施工安全,提出软土地层隧道围岩分区初期支护技术。通过合理规划围岩压力监测点,采集压力数据;利用简化的锚杆、钢架及岩体结构面,构建初期支护本构模型;计算锚杆与钢架的最佳间距和长度,并以此为依据设计复合支护结构,实现围岩分区初期支护。结果表明:所提方法隧道沉降位移较小、塑性区分布面积较小。体现了支护技术的有效性,具有较好的应用价值。

瑶渠煤矿大巷间煤柱尺寸确定及支护优化

为研究大巷过剥蚀区时大巷间煤柱合理尺寸及围岩稳定性,以瑶渠煤矿西采区Ⅱ回风大巷为研究对象,采用理论分析、数值模拟等研究方法,建立了煤柱尺寸计算模型,揭示了煤柱在8 m、10 m、12 m、14 m条件下巷道围岩应力、位移及塑性区的分布规律,确定了过剥蚀区大巷间煤柱的合理尺寸,并优化了西采区Ⅱ回风大巷的支护参数。研究结果表明,瑶渠煤矿西采区Ⅱ回风大巷与辅运大巷之间煤柱尺寸由14 m减小至8 m时,巷道围岩内的垂直应力由1.381 MPa增加至1.465 MPa、最大位移量增加了12.52%,塑性区逐渐贯通煤柱。当煤柱尺寸为10 m时,煤柱塑性区处于贯通的临界区域,煤柱内部具有一定的弹性核区域,且煤柱尺寸大于理论计算的9.23 m,能够满足巷道围岩的稳定性。综合考虑,确定煤柱最小合理尺寸为10 m。对10 m煤柱尺寸下西采区Ⅱ回风大巷进行支护优化,采用帮部3根锚杆支护后巷道围岩应力、位移和塑性区均显著改善,保证了巷道围岩的稳定性。

考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性

该文研究考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性。首先,根据楔形管桩特殊的桩身结构和桩周土的成层性,将桩-土系统沿纵向划分为若干微元段,采用Voigt体模型模拟桩周土对楔形管桩桩段的竖向支承作用;基于考虑土体竖向波动效应的三维轴对称模型建立桩周土纵向振动控制方程并求解,得到桩-土之间的侧摩阻力;然后,基于Rayleigh-Love杆模型建立桩的纵向振动控制方程以考虑其横向惯性效应,求解桩的振动控制方程并结合Laplace变换和阻抗函数递推,得到考虑桩周土竖向支承作用的桩顶复阻抗和速度导纳解析解,进一步地,通过卷积定理和Fourier逆变换得到桩顶时域响应半解析解;最后,通过与已有解的对比验证了该文解的合理性,并通过参数分析的方法研究了桩身横向惯性效应、桩周土竖向支承作用及桩身参数对桩顶动力特性的影响。

软土地基地下调蓄池深基坑设计研究

主要介绍了上海某软土地基地下调蓄池的深基坑设计方案,并采用有限元方法计算分析了基坑开挖对周边环境的影响。该基坑开挖深度16.5~18.1 m,采用地下连续墙围护,水平支撑采用一道钢筋混凝土支撑,三道钢支撑系统,坑内设置格构立柱。计算结果表明:基坑支护整体稳定性、抗倾覆稳定性、抗隆起稳定性、抗承压水稳定性安全系数,围护结构强度和变形满足规范要求。对周边环境影响分析结果表明,基坑开挖引起周边房屋基础的内力和变形均在规范允许范围内,基坑施工不会影响周边房屋结构的安全,基坑设计方案安全可行。

巷道群应力场演化特征与支护技术研究

为探究巷道群开挖应力场演化特征,以杜儿坪煤矿南九盘区巷道群为研究对象,采用数值模拟方法研究巷道群分步开挖方式下垂直应力分布特征,结果发现巷道煤柱侧应力集中强度高于实体煤侧,应力峰值位置与巷帮水平距离煤柱侧大于实体煤侧,煤柱宽度影响应力集中强度,煤柱宽度增大则应力集中强度减弱,巷道群开挖处于高应力集中区,巷道支护设计需考虑足够富裕系数。为开发巷道适应性支护技术,采用现场实测方法测量了地应力、围岩强度及结构等基础参数,结果表明:地应力为中等水平,形成以水平应力为主的构造应力场,巷道群开拓方位朝向有利于地应力方向延伸,地应力大小及方向对巷道围岩稳定影响较小;巷道顶板为由砂质泥岩和薄煤线组成的厚度变化不定的复合煤岩顶板,煤岩体强度大小因裂隙发育而剧烈波动不稳定,控制巷道浅部易离层冒落复合煤岩顶板至关重要。基于巷道群应力场分布规律和围岩地质力学评估结论,确定胶带巷采用预应力锚杆锚索支护技术,并提出详细支护方案和支护参数,现场试验取得良好效果,顶底板最大位移87 mm,两帮最大位移81 mm,为煤矿巷道群开挖支护提供了有益指导。

基坑土钉支护开挖降水对周边建筑物的影响

为了探讨基坑土钉支护开挖降水对周边建筑物的影响,以郑州市某基坑土钉支护开挖降水工程为例,使用有限元软件midas GTS NX对基坑施工过程及周边建筑物的存在进行数值模拟,分析基坑开挖降水等工况下土体的水平位移、竖向位移、孔隙水压力、及周边建筑物沉降的变化规律,研究基坑开挖降水对周边建筑物影响,结果表明:随着基坑开挖深度的增加,坑外地表沉降大小和范围慢慢增大,总体呈现先增大后减小最后趋于稳定的变化趋势;随着基坑降水深度的增加,孔隙水压力增大,表层土体中孔隙水压力的变化速率小于深层土体中孔隙水压力的变化速率;建筑物沉降随基坑施工工况的增加逐渐增大,基坑开挖到底时建筑物沉降变化趋势变缓趋于稳定,其数值在规范允许的范围内,表明基坑周边的建筑物处于安全状态。

深埋水平层状围岩拱形隧洞顶板稳定性分析

为了探究深埋水平层状围岩小断面拱形隧洞顶板稳定性的计算理论。针对厚层水平层状岩体,通过对现有理论的总结分析,同时采用等效刚度法,分别研究了等截面层状顶板以及变截面层状顶板跨中(拱顶)竖向相对变形的计算方法。结果表明:水平层状围岩小断面隧洞的开挖施工过程中,层状顶板的主要受力模式为简支梁模型,采用简支梁模型对层状顶板位移稳定性进行预测是合适的;对层状顶板位移稳定性进行理论预测时,应根据层状顶板的实际情况选取等截面或变截面简支梁模型;通过工程算例以及数值模拟方法,验证了提出计算理论的合理性及适用性。最终表明提出的计算理论能够判定深埋水平层状围岩小断面拱形隧洞顶板的稳定性。

围土注浆缓释和抑制井壁附加力效应及应用

阐述了预防与治理厚表土层立井井壁破裂的围土层注浆加固方法的机理,将围土层注浆“缓释”和“抑制”井壁竖直附加力的原理应用到某一矿井工程治理中并取得成功。通过埋设于井壁中的混凝土应变传感器实测数据表明,井壁已有的竖向附加应变减少了330με,这一结果说明井壁中既有的竖直附加力得到有效“缓释”;间歇期间的井壁附加应变几乎无增量,这一演变表明井壁附加力的增长得到了有效“抑制”;而地面变形与井壁受力实测趋势完全吻合。围土层注浆加固能够有效地改善井壁的受力状态,对井壁的既有应变有显著的缓释作用,对矿井疏排水造成的井壁附加应变的增长有明显的抑制作用。这一理论与技术可以在类似矿井井壁破裂防治与治理工程中推广应用。

锁脚锚管对土质隧道围岩变形和支护内力的影响研究

对比分析了锚杆和锁脚锚管的异同点，提出了锁脚锚管的数值模拟方法。通过三维有限元分析，研究了锁脚锚管对支护结构变形和内力的影响，揭示了锁脚锚管的作用机理，提出了判断锁脚锚管是否有效和合理的标准。研究表明锁脚锚管应通过约束其沿洞轴方向的转动自由度考虑，合理的锚管长度和打入角度不仅有利于限制围岩的变形，而且有助于支护结构承载能力的发挥，一般土质隧道的锁脚锚管长度宜取2．3～3．0m，打入角度宜取0°或30°。判断锁脚锚管是否合理时，可根据工程实际需要，结合承载能力发挥系数与位移限制系数确定。

土质围岩开挖破坏模式研究

结合大量土质隧道围岩破坏调研资料和室内模型试验,研究土质围岩破坏的位置和形态,以破坏位置和特点探讨了土质围岩的破坏模式,并对各破坏模式进行了定义。研究表明,土质围岩破坏模式有未支护段破坏模式、掌子面破坏模式、未支护段和掌子面同时破坏模式及不发生破坏4种;未支护段破坏模式可分为自稳破坏、进尺破坏和不破坏;未支护段自稳破坏模式主要受洞形跨度和跨高、围岩条件控制,而进尺破坏模式主要受进尺和围岩条件控制;掌子面破坏模式的破坏面可近似为对数螺旋曲面或斜平面,未支护段破坏模式的破坏面可近似为抛物线曲面,未支护段和掌子面同时破坏模式的破坏面近似为数螺旋曲面或斜平面和抛物线曲面相交。

考虑桩周土竖向作用和施工扰动效应时大直径楔形桩的纵向振动特性

将桩土系统划分为数量足够多的微元层,基于复刚度传递多圈层平面应变模型,求得了桩侧土对桩身的剪切刚度。采用Voigt体模拟桩周土与相邻微元桩段交界面上环形截面的作用,求得了弹簧和粘壶系数。通过拉普拉斯变换,结合相邻微元桩段交界面上的位移连续和应力平衡条件,得到了修正的阻抗函数递推法。通过求解微元桩段的动力平衡方程,结合修正的阻抗函数递推法,求得了桩顶的阻抗函数。将该解与已有解进行对比,进一步验证了的楔形桩承载性能的优越性。在桩基动力设计所关心的低频范围内,通过参数分析研究了桩周土的竖向作用与施工扰动效应的耦合作用。

孤岛工作面回风巷围岩控制与支护技术

以鹤壁四矿2604孤岛工作面回风巷为研究对象,采用FLAC3D模拟了巷道围岩的垂直应力,得出了巷道垂直应力与围岩深度的关系曲线。围岩垂直应力峰值点位置相差较大,顶板和采空侧围岩深部垂直应力趋于一定值,煤柱边缘垂直应力较小。针对围岩破碎,顶煤厚度大,提出了高强高预紧力锚杆与斜拉锚索梁结构联合控制技术,使浅部围岩与深部围岩形成统一的承载结构,矿压观测结果:顶底板相对移近量为215mm,两帮相对移近量为157mm,顶板离层量为35mm,为类似条件下的巷道支护提供借鉴。

竖井围岩-支护系统稳定性分析的最小安全系数法

根据弹塑性力学及围岩-支护相互作用原理,分析了竖井稳定性,推导了竖井围岩与支护的应力、位移以及支护厚度的计算公式.根据泊松比的大小,判断围岩周边最大主应力的方向.结合Drucker-Prager强度准则和安全系数,建立了安全系数评价法,通过FISH语言实现了求解,为围岩稳定安全范围、支护方位以及支护厚度提供了合理的参数.

软土地区深基坑监测及变形特性分析

以苏州市某基坑工程为工程背景,结合苏州及东部沿海地区特有的软土地层特性,通过总结基坑开挖到回填期间的监测数据,分析了基坑开挖对周边环境的影响,根据实际监测情况及相关工程经验,总结了减小基坑施工对周边环境影响的措施:(1)基坑施工未对围护结构及周边环境产生较大影响,相关监测项目均未超过报警值;(2)在基坑开挖期间,要严格控制动、静荷载对基坑的影响,及时开挖及时支撑,严禁超挖;(3)合理利用井点降水,按需降水,适当放缓降水漏斗线的坡度,防范带走土层中的细颗粒,尽可能减少降水对周边环境的影响。

数值流形方法中的锚固支护模拟及初步应用

针对岩土工程中的锚固支护,研究了数值流形方法中锚固支护模拟问题。在原数值流形方法源程序基础上开发了锚固支护模块,并用算例验证了其合理性。运用该方法对某层状结构岩体中的地下洞室围岩开挖变形问题进行了研究。结果表明,数值流形法在层状结构岩体地下洞室开挖时,能反映围岩中软弱层面两侧岩体的不连续错动特征;锚固支护后,围岩位移分布趋向均匀,位移量有所减少,软弱层面两侧岩体的非连续错动变形量减小效果显著。

低承台管桩纵向自由振动特性分析

基于广义Voigt模型和附加质量模型,研究了低承台管桩的纵向自由振动特性。首先,根据承台和管桩周围土体的性质,建立了承台、管桩、桩侧土以及土塞纵向自由振动的控制方程;然后,结合承台-管桩-土系统的耦合条件,采用Laplace变换技术及阻抗函数传递法,求解得到了承台纵向自由振动位移的频域解析解及时域半解析解。最后,分析了附加质量模型中Voigt模型参数的敏感性区间,并将该解退化与已有解进行对比,验证了该解的合理性;讨论了桩身参数、土塞、桩侧土及承台周围土体对低承台管桩纵向自由振动特性的影响规律。结果表明:桩身参数、土塞、桩侧土及承台周围土体对低承台管桩纵向自由振动特性有明显影响,为低承台管桩基础的防震减震设计提供了一定的理论依据。

非饱和土中部分埋入桩的竖向振动

基于三相多孔介质波动方程,考虑孔隙中水和空气两种不相混溶流体间的耦合效应,通过算子分解和分离变量法,在求得轴对称条件下非饱和自由场波动域解答的基础上,结合上下区域的连续性条件以及桩端Winkler弹性支承假定,通过求解桩的振动微分方程,对部分埋入弹性支承桩在竖向稳态谐振作用下的频域响应进行了理论推导,获得了桩顶阻抗函数的封闭解.通过对比饱和条件下完全埋入桩的桩顶复阻抗曲线,发现该退化解与已有的边界元法和虚拟桩法的结果基本吻合,验证了解答的正确性.参数分析结果表明:桩顶复刚度随自由段桩长的增加而大幅降低,孔隙水的参与作用仅在接近完全饱和时才得以发挥,而饱和度和土底反力系数的影响较为有限.

巷道掘进围岩纵向变形分析与支护技术

为了研究开挖面空间效应对巷道掘进时的影响,利用Hoek拟合的位移释放系数方程来描述空间效应下的巷道围岩纵向变形规律,建立巷道径向位移与力学模型中虚拟支护力关系的数学模型,导出开挖面空间效应下虚拟支护力与距开挖面距离的关系式。基于Mohr-Coulomb强度准则,推导出巷道开挖时围岩应力、塑性区半径与开挖距离的数学表达式。根据巷道围岩纵向位移以及塑性区半径的变化规律,能够更好地对巷道进行支护设计。结果表明:以巷道开挖面为例,建立的模型计算与FLAC3D模拟分析进行对比,在开挖面处围岩位移释放约为31%,利用开挖面的空间效应及时地对巷道进行支护,能够有效控制巷道前期变形,减缓巷道围岩塑性区的发展。

岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展

讨论岩石流变力学及其工程应用研究近年来的若干进展,主要内容包括:对岩石工程流变学问题的综述性介绍、软岩和节理裂隙发育岩体的流变试验研究、流变模型辨识与参数估计、流变力学手段在收敛约束法及隧道结构设计优化中的应用、高地应力隧洞围岩非线性流变及其对洞室衬护的力学效应,以及岩石流变损伤与断裂研究。此外,还对土力学与土工流变方面的一些进展作了简要介绍,并就今后岩土工程流变研究的展望阐述了一点认识。