节理岩体隧道的稳定性分析及破坏机理

以往只有位移,应力,尺寸和塑性区分布在分析节理岩体隧道的稳定性时考虑。这样,既不可以明确发现破坏面的位置和范围,也不能得到的安全系数量化标准。定量分析节理岩体隧道稳定性模型试验与数值分析在本文得出了研究。通过使用有限元强度折减法计算破坏状态和节理岩体隧道的安全系数。结果表明,联合倾角对破坏面的位置产生更大的影响。如果α＝0°时,破坏面对称分布在两侧;如果α＝30°和45°,滑动面旋转节随理倾角的变化,并相应地分布在节理的上下部分;如果α≥60°,破坏面转移到底部。特别地,如果α＝90°时,可形成拱顶的中间破坏面。安全系数结果表明,安全系数降低了不同程度的节理岩体隧道同质隧道,但节理倾角对安全系数的影响不大相比。节理间距和强度的降低,安全系数降低。     

偏压小净距公路隧道围岩稳定性与对策研究

以京昆高速公路曹家庄隧道工程为背景,运用连续介质与非连续介质数值模拟研究了破碎偏压小净距公路隧道围岩稳定性,并给出了相应的施工对策。研究表明:①隧道围岩在重力作用下,将向临空面塌落。根据连续介质数值计算得到围岩保持稳定,然而,由于节理面的存在,围岩将无法保持稳定,隧道的破坏由应力控制变为节理结构面控制;②根据计算分析得到施加锚杆加固后,围岩应力状况得到改善;③针对围岩结构几何失稳的特点,宜采取以轻型支护为主并保护围岩的施工对策。     

大断面黄土隧道工程特性研究

较之常规隧道,大断面黄土隧道因其断面和跨度大而具有很强的非线性力学行为。基于现场调查与室内三轴试验曲线分析,指出具有结构性强度及垂直节理是黄土围岩的2大特点。根据黄土的折线型结构强度曲线推导弹塑性应力分区理论公式,分析支护阻力、强度比、跨度等对大断面黄土隧道的影响规律。依据可考虑结构性强度与垂直节理的双线性遍布节理模型,对深、浅埋大断面黄土隧道进行数值仿真,探讨其位移形态与破坏模式。研究成果对于实际工程具有指导意义。     

互层岩体隧道开挖之个别元素法分析

本研究采个别元素法为分析工具,以具键结特性之二维圆盘颗粒进行互层岩体隧道开挖分析.根据本研究建立之互层岩体单压试验模型,在层面倾角由0°变化至90°的条件下,模拟之单压强度与杨氏模数二者与层面倾角之关系,符合前人实验结果.在隧道分析部份,本文先以均质等向线弹性材料之圆形孔洞应力分析进行模式验证,结果显示解析解与数值分析之应力等高线图分布一致.互层岩体隧道分析则是在不考虑衬砌与岩栓等支撑结构的前提下,仅先针对互层倾角的变化与材料力学参数的折减,对圆形开挖断面之影响进行数值模拟与结果探讨.     

基于离散单元法密集节理岩体边坡稳定性分析

节理岩体边坡的稳定性很大程度上取决于节理的强度及其分布形式。由于节理岩体边坡的失稳破坏具有大变形和非连续的特点,因此,离散单元法成为研究节理岩体边坡破坏机理的最有效方法之一。通过采用离散元软件PFC2D对岩石进行数值模拟,建立含密集节理的岩体边坡模型,讨论了岩体连通率对边坡破坏形式的影响。结果表明,在多组节理密集分布的岩体边坡中,连通率越大,其稳定性越差;随着连通率的减小,边坡的破坏形式由大范围的滑坡转变为局部崩塌的形式。     

节理产状对隧道光面爆破成形效果的影响研究

以吉林省某隧道工程为依托,研究了节理产状对隧道光面爆破成形效果的影响。通过机理研究、试验分析以及ANSYS/LS-DYNA动态有限元数值模拟三种方法的综合研究,得出当闭合型节理与炮孔连线夹角大于70°时,节理对光面爆破成形效果无明显影响,夹角不满足条件时,岩体将沿着节理面方向和垂直节理面方向发生破坏,形成之字形锯齿状断裂面,夹角等于45°时,断裂面凹凸度最大。     

隧道近距大节理硬脆性围岩破裂机理

为揭示近距大节理硬脆性隧道围岩的破裂机理,采用含天然节理的流纹岩开展双轴压缩试验,获得围岩应力分布特征及渐进破裂过程。PFC2D离散元颗粒流程序模拟了节理围岩和完整围岩在双轴压缩作用下的变形及破裂特征,并与室内试验结果进行对比分析。研究结果表明：双轴压缩作用下,含天然节理的隧道试样表现出显著的脆性破坏特征,节理面起裂发生滑移错动,拱顶和底板围岩逐渐拉裂,宏观破裂面穿过大节理并向隧道拱脚、边墙和试样边界扩展,造成试样的最终失稳破坏;PFC2D数值模拟结果显示,大节理面附近裂隙集中发育,并迅速扩展形成与节理大角度相交的破裂面,试样峰前破裂过程短暂,峰后裂隙加速扩展而承载力急剧下降,数值模拟与试验结果吻合;近距隧道大节理显著影响硬脆性围岩的破裂模式,大节理的剪切滑移引发试样的宏观破裂,靠近大节理的拱脚十分破碎,而边墙则形成“V”形破碎区。研究成果为节理隧道围岩的支护设计和防灾减灾提供参考。     

碳纤维水泥基复合材料加固节理岩体试验（双语出版）

为了研究碳纤维水泥基复合材料对节理岩体的加固效果、加固机理及最优碳纤维掺量值,在超细水泥、粉煤灰、矿粉、硅灰等修复材料中,考虑0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%这5种不同的碳纤维掺量,对加固前、后节理岩样分别进行了直剪试验。研究结果表明：加固前、后节理岩样的剪切力-剪切位移曲线变化特征明显,由无峰值强度曲线转变为有峰值强度曲线,并出现明显的应变软化阶段和残余强度阶段;碳纤维掺量（质量分数）从0增加到1.00%时,节理岩样的峰值抗剪强度、残余抗剪强度在5种法向应力下分别提高13.0%~54.1%和0.61%~44.7%,剪切刚度增大32.4%~216.8%,黏聚力和摩擦角分别增大127.3%~266.5%和4.3%~20.4%;当碳纤维掺量为0.75%左右时,节理岩样加固后抗剪性能的综合增强效果最为明显;结合节理面形貌特征和加固后剪切破坏面特征分析发现,水泥浆复合材料对节理面具有较好的充填作用和胶结作用;在水泥基材中掺入碳纤维时,一方面类似于“加筋”材料,可在纯水泥浆的基础上进一步提高浆体的强度和整体性,限制节理面剪切过程中微裂纹的开展,另一方面碳纤维对受剪浆体提供了较好的“锚固”作用,进一步增加浆体与节理面的粘结性能,使得浆体本身、浆体与节理面之间胶结面的抗剪性能明显增强,从而显著提升加固后节理岩体的综合抗剪性能。     

根据观察记录数据的分析提出隧道掌子面岩体分类的新方法

本文针对隧道掌子面的岩体情况提出了一种新的评估系统：1）根据岩体强度、地下水以及应力的情况评估岩体情况；2）采用与岩石强度、风化蚀变、节理的间距和状况相对应的等级加权平均值来评估岩体强度；3）通过与地下水流和地下水蚀变相对应的等级来调整这种评估，并且利用岩体的强度和垂直荷载比来计算其等级。在日本这种新的评估系统比通行的支护有效。     

节理倾角对软岩隧道掌子面变形及失稳模式的影响

依托玉磨铁路西双版纳隧道工程,运用有限元软件ABAQUS,研究不同节理倾角下掌子面变形和失稳模式。结果表明:掌子面最大挤出变形以90°为中心呈“M”型分布,倾角为60°或120°时掌子面挤出变形最大;最不利节理角度影响下,隧道开挖对掌子面前方岩体的最大影响范围约为1倍洞径;隧道穿越节理岩体且不加以控制或控制不当时,随节理倾角变化,掌子面失稳模式有圆弧型、三角型和倒三角型;随节理面倾角增大,掌子面变形从弹性变形向塑性变形发展,当倾角为30°时,掌子面岩体由弹性变形转变为塑性变形。     

异向性岩石之裂缝传播分析

为分析异向性岩体之断裂力学性质,以异向性线弹性理论配合材料基本解(Green’s Function)、边界积分方程式及裂缝尖端模式为理论基础,借以Fortran语言撰写成BEM分析程序,其可成功的分析等向性及异向性材料之裂缝尖端应力强度因子等相关问题。为检验数值分析结果之可靠度,并与异向性岩石实验之结果进行比对,其分析之比较结果非常吻合,且可成功地求得混合模态载重下多裂缝尖端之应力强度因子。并藉最大张应力理论求解初始开裂角度进而模拟裂缝传播路径,发现其裂缝传播路径亦受材料异向性程度不同及裂缝的几何形式而有显著的影响。     

岩石隧道受震反应之工程影响因子研究

地震发生频繁区域之岩石隧道受震破坏案例已发生多起,其相关研究课题已日渐受重视,惟土层隧道耐震设计已有规范遵循,岩石隧道者者尚缺乏深入探讨。研究采经岩石隧道震后破坏案例及解析解等验证正确性之动态数值分析模式,探讨岩石隧道受震工程影响因子,包括衬砌刚度、衬砌与岩盘互制、围岩加劲及围岩弱化等。由分析结果知,衬砌劲度越大,震波引致最大应力增量正规化值愈大,即震波引致应力增量值愈大,因此隧道衬砌耐震设计不能全以提高劲度为主要方法;隧道衬砌与岩盘互制作用研究结果显示,采用匀滑开挖、防水膜及衬砌与岩盘填补增加滑动性材料等,可减少衬砌受震引致轴向应力增量,达到减震效果;岩石隧道混凝土衬砌外侧之再加厚衬砌与辅助工法等加劲措施,经采用等值劲度模拟分析结果显示,采用如一次支撑及辅助工法提高围岩劲度,将增加衬砌轴向应力,但减少剪应力及挠曲应力;加大加劲范围可减少衬砌轴向应力,但将增加剪应力及挠曲应力;开挖引致的松动区减少围岩劲度,将减少衬砌轴向应力,但增加剪应力及挠曲应力。     

隧道开挖支撑收敛约束法之外显分析

收敛约束法理论为隧道支撑设计之简化分析方法。使用隧道收敛计测资料,借以建立隧道掘进效应函数,并依据地盘与支撑系统之组成律模式,推导在静水应力状态下圆形隧道开挖支撑互制行为之解析解。采用约束损失之递增方法,利用简易试算表工具,提出模拟隧道开挖支撑非线性行为之外显分析。经由外显分析与有限元素分析之比较结果显示,相关收敛约束曲线均呈现一致的趋势。外显分析法提供了模拟隧道开挖支撑互制行为之简易且直接的计算分析方法,收敛约束法理论为隧道支撑设计之简化分析方法。使用隧道收敛计测资料,借以建立隧道掘进效应函数,并依据地盘与支撑系统之组成律模式,推导在静水应力状态下圆形隧道开挖支撑互制行为之解析解。采用约束损失之递增方法,利用简易试算表工具,提出模拟隧道开挖支撑非线性行为之外显分析。经由外显分析与有限元素分析之比较结果显示,相关收敛约束曲线均呈现一致的趋势。外显分析法提供了模拟隧道开挖支撑互制行为之简易且直接的计算分析方法。     

砾石隧道潜盾开挖之颗粒力学数值模拟探讨

砾石材料组成与强度具高度异质性,受力常见分离破坏,重新堆栈后又可回复部分强度,以连体力学模式难以有效描述其行为。研究以颗粒学理论为基础发展的颗粒流数值软件PFC2D建立数值模型,透过仿真现地直剪试验结果,校正颗粒间之颗粒参数,并以颗粒参数转换试验克服尺寸效应对颗粒力学模式的影响,获得具代表性颗粒参数模拟现地开挖,探讨潜盾开挖引致砾石层之沉陷特性。研究结果显示利用颗粒力学数值模拟技术,能更有效模拟砾石层特殊地工特性的隧道行为。     

车辆阻挡效应对隧道火场燃烧及烟流之影响研究

近期国际曾发生多起重大隧道火灾灾难,隧道火灾安全议题已获得全球普便之重视。目前学术界与工程界多采用缩小尺寸实验或数值模拟方法对隧道火场环境进行研究与探讨。然不论实验或计算机模拟最重要的关键为能否充分地反应出实际隧道之火场情境,方能获致合理且有意义之研究成果。检视现今之隧道火害研究,可发现几乎所有的相关研究皆仅简化地假设火场上游无车辆回堵现象,此有违火场上游应发生车辆回堵之实际隧道火灾情境,因此将无法合理地模拟火场上游车辆阻挡风机气流对火场燃烧及烟流所造成之影响。针对此项尚待厘清之议题,本研究首先执行缩小尺寸实验,以均匀风速施加于隧道横断面模拟风机作动所产生之气流,探讨隧道塞车情境对火场燃烧所造成之影响。复执行全尺寸纵流式排烟模式(轴流风机)隧道火灾情境计算机数值模拟,针对火场上游是否有车辆回堵、回堵车体尺寸、火源与回堵车体距离等变因对火场燃烧、温度及烟流所造成之影响进行探讨。研究结果发现火场环境及烟流将受有、无车辆回堵、回堵车体大小及火源与车体距离等因素而有不同程度之影响。     

岩石异向性破裂韧度之研究

岩体地下工程和边坡工程中往往会发生模态Ⅲ型加载下的岩石破坏,模态III型破坏之应力强度因子的发展与研究有利于了解岩石破坏行为。在现今学者研究各种试验方法中,较多围绕在模态I、II型和I+II复合型裂缝破坏展开,对于模态III型裂缝破坏的研究还处于初级阶段。提出一套单域边界元素法(或称对偶边界元素法),结合异向性线弹性理论,藉以Fortran语言撰写成程序,针对异向性岩石于模态III型之破坏,探讨岩石中裂缝前缘之应力强度因子。主要讨论横向等向性材料在不同裂缝长度、材料宽度、材料层面倾角以及上述情况于不同之异向性程度的影响下,其应力强度因子KI、KII、KIII的变化,并以KIII值做进一步的讨论。     

岩溶地区双隧道开挖围岩稳定性数值分析

结合广乐高速公路长基岭隧道施工工程,利用有限差分软件FLAC3D对2条隧道之间岩体中含有溶洞情况下的隧道围岩稳定性进行数值模拟研究。结果表明:隧道开挖后,隧道围岩分别向隧道内和溶洞内变形,且变形幅度随着溶洞尺寸的增大普遍变大;隧道围岩塑性区分布位置和范围随着溶洞尺寸的不同出现明显的变化;隧道底部围岩由于拉应力的出现可能使围岩产生过大的变形和岩体破坏,对其稳定性要给予特别的重视。所得结论可为同类隧道的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

预铸混凝土环片循环载荷试验与分析

藉由预铸混凝土环片试体内装设钢筋计,除可了解环片制造过程中,混凝土蒸汽及水中养生过程,钢筋应变随环片温度变化的情形外,还可透过环片循环载重抗弯试验过程,了解钢筋应力及应变变化情形。将环片预铸过程所使用的钢筋与混凝土样品,分别进行拉力及压力试验,获得应力与应变之组合律,再利用材料及钢筋混凝土力学理论,进行环片循环载重抗弯试验成果分析,分析结果与实测结果及理论解进行比对,可评估传统监测仪器预置于钢筋混凝土环片内之适用情形,不但可以确认环片钢筋设计用量之适当性,而且还可以作为来日隧道近接施工阶段,监测环片内应力之变化及有限元素数值模拟分析结果比对的基础。     

捷运深开挖地下工程快速工法之创新与研究

台北捷运东门站站体开挖因工期与施工安全性之考量,采调整地下结构施筑之施工步骤,取消原回撑的架设,并以大面积连续侧墙系统模板于侧墙组模作业上,侧墙系统模板高4.5 m,于底板施筑完成后连续拆除第8和9层支撑,直接进行侧墙施工,系统模板拆模后可立即移动至下一区块施作;施工前曾进行数值模拟分析,借以了解拆除第8和9层支撑后底板与第7层支撑的力量是否足以抵挡挡土壁外侧之土压力,同时于侧墙之内外两侧主筋加装钢筋应力计,检核土壤潜变所造成的侧向压力转移至侧墙的应力,并与实际挡土壁之侧向变位进行比对分析反馈,后续上部之中间层与上月台层的结构侧墙皆采用此大面积连续侧墙系统模板且顺利完工,实际施工时程较原工期缩短近7个月左右,期望藉由此案例之介绍,提供工程界未来类似工程设计与施工参考。     

捷运工程近接施工案例探讨

随着台北捷运系统之陆续发展,不论是捷运系统的新建设或其他工程之兴建,近年来常遇到与既有或兴建中之捷运建设近接施工之状况。在计算机软件尚未发展成熟的时代,面对近接施工的课题,往往仅能藉由早期施工所累积的经验进行研析。而今,计算机运算效能日益提升,复杂的土壤结构互制行为已能藉由功能强大的商业软件加以模拟及分析。本文主要探讨近年来捷运工程4种不同类型之近接施工案例,在这些案例中,皆使用数值分析软件进行模拟,并藉由分析之结果研提相关因应措施,其中部分已施工完成之案例,将分析与现场监测结果进行比对,显示二者颇为接近,且保护措施亦达预期之功效。由此可知未来面对复杂之议题,采用数值分析软件进行模拟分析可获得合理之推估。期藉由这些案例初步探讨及研析结果,提供尔后类似案例之参考。