考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩弹塑性分析

考虑了渗流体积力、岩体应变软化、破裂膨胀性重要因素,应用弹塑性力学理论,推导了渗流场作用下巷道围岩的应力和位移分布规律,给出了巷道围岩不同分区范围与孔隙水压力、岩体应变软化程度、破裂膨胀性之间的关系;研究表明,孔隙水压力和岩体破裂膨胀特性对巷道围岩破裂区范围的影响程度比对塑性区范围的影响程度明显;考虑渗流场比不考虑渗流场的影响时,塑性区范围和破裂区范围都要大;岩体应变软化程度对巷道围岩塑性区和破裂区的范围影响同样显著;渗流、应变软化、破裂膨胀性对巷道围岩变形的影响都比较明显。研究成果为渗流场作用下的巷道支护工程有一定的参考价值。     

大断面浅埋黄土隧道大变形控制技术及效果分析

为研究超大断面浅埋黄土隧道大变形控制技术及效果,依托隧道大变形事故案例,对隧道围岩变形破坏特征及原因进行分析,结合隧道地质条件及围岩特性,提出了合理有效的围岩变形控制技术及施工工艺,并应用数值模拟和现场测试对3种加固措施工况下的变形及应力进行分析。研究结果表明:超大断面浅埋黄土隧道围岩变形主要表现为前期变形速率大,变形持续时间长,累计变形量大,拱顶最大累计沉降为124.3 cm,围岩变形受开挖扰动和持续降雨影响显著;采取临时套拱加固有效抑制变形的持续发展,避免塌方事故的发生,而径向注浆加固和强化支护参数为后续顺利完成大变形段换拱施工提供安全保障;浅埋偏压地段采用地表超前预注浆技术,有效地改善上覆围岩特性,后续施工累计变形均在预留变形量范围内,确保了施工安全和进度。     

石膏围岩隧道衬砌结构破坏模式及时变可靠度模型

石膏围岩具有很强的膨胀性和腐蚀性,在隧道全寿命周期内均会引起衬砌结构自身强度劣化及受力增加,严重影响隧道二次衬砌结构可靠性.针对石膏围岩膨胀特性和腐蚀性对隧道二次衬砌结构的影响分别建立了二次衬砌结构膨胀破坏模式和腐蚀破坏模式;考虑石膏围岩膨胀性和腐蚀性对隧道衬砌结构的综合影响,建立了石膏围岩隧道二次衬砌结构综合破坏模式;基于结构体功能函数,推导出能够初步考虑围岩膨胀性和腐蚀性的隧道衬砌结构可靠度指标计算公式;并分别建立了三种破坏模式下的时变可靠度分析模型.采用石膏围岩隧道衬砌结构综合破坏模式下的时变可靠度模型对礼让隧道进行了分析,得到其在使用寿命100 a内的可靠度指标变化规律.根据计算结果可以优化石膏围岩隧道衬砌结构的抗腐蚀、抗膨胀和支护结构设计参数,并对石膏围岩隧道使用寿命周期内的合理维护及维修提供依据.研究成果可推广应用于隧道衬砌结构的可靠度研究中.     

软破岩隧道围岩峰后剪胀变形及支护设计

从软破围岩剪胀变形平衡理论出发,结合隧道工程实例,运用理论分析、数值模型和现场监测的手段,研究了软破围岩隧道在开挖过程中随着支护强度的不同,围岩峰后剪胀变形的力学特征和对围岩的控制作用。结果表明,软破围岩隧道峰后剪胀变形的时间和空间效应非常明显,易产生过大的位移和应力,并导致围岩或支护结构破坏。隧道浅部围岩剪胀剧烈,深部剪胀较弱,随着隧道围岩半径的增大,浅部围岩膨胀快速下降,深部下降较慢。随着支护强度的提高,围岩位移随开挖半径的增加由陡急逐渐变得平缓。采用软破岩峰后剪胀变形模型进行分析,弥补了弹塑性理论在计算软破围岩变形缺陷,更能反映隧道围岩变形与支护对软破围岩稳定性和变形控制的作用。     

黄土隧道围岩变形规律分析

结合石羊岭隧道工程,对高含水率黄土隧道开挖支护后围岩变形进行了研究。利用Midas/GTS有限元分析软件,建立了有限元计算模型,分析了石羊岭黄土隧道开挖支护后的位移场,并与现场监控量测数据进行了分析对比,得到了黄土隧道的围岩变形规律,给出了合理的支护方案。结果表明:留核心土施工法适用于此隧道,并从开挖过程得到隧道位移分布及影响范围;从现场监控量测数据可以得出,变形经历三个过程,最终处于稳定状态。数值计算结果与现场监测数据基本一致,并得到初期支护与二次衬砌间隔的时间为25天。     

深埋隧道穿越富水破碎带围岩突水机理

基于隧道穿越处于复杂应力场与渗流场环境的富水破碎带时存在发生重大突水事故的安全隐患,通过对破碎岩体的渗流特点进行研究,建立孔隙颗粒介质流失的渗流模型;基于连续介质力学和变质量动力学理论,推导饱和破碎岩体变质量渗流-变形耦合理论模型;以福建漳州梁山隧道L7富水破碎带为工程背景,分析围岩的渗流场、应力场与位移场分布特性,并总结隧道断层破碎带的突水塌陷机理。研究结果表明:断层破碎带突水实质上是围岩的力学平衡和地下水的渗流平衡因施工扰动发生急剧变化,引起围岩应力重分布及地下水能量释放;隧道施工揭露断层后,岩体颗粒随孔隙空间的流体发生迁移形成新的渗流通道,导致地下水在水头压力作用下向工程临空面涌出,形成漏斗形的渗水区域;随着渗流作用时间的延长,地下水和岩土体逐渐流失,隧道上方的破碎岩体发生严重的滑移变形,形成椭圆形塌陷区域,与现场实际塌陷破坏规律基本吻合。本文提出的渗流-变形耦合模型对理解破碎岩体渗流力学机制和深埋隧道突水灾害的预防设计具有参考价值。     

深埋隧道围岩应变软化模型参数的正交设计

研究高应力环境下岩体单元塑性软化变形对深埋隧道围岩位移的影响规律,采用基于莫尔库仑与拉破坏复合破坏准则的应变软化模型对深埋隧道的开挖卸荷进行数值仿真,按照正交实验方法设计计算方案。根据计算结果,得出应变软化模型力学参数对围岩水平收敛位移影响程度的大小,建立围岩水平收敛位移与应变软化模型力学参数之间的经验公式,为深埋隧道围岩的稳定性分析提供了理论依据,对实际工程施工也有重要的参考价值。     

扁平超大断面隧道的施工力学特征及其动力稳定性分析

针对超大断面小近距隧道支护设计中的围岩压力分布、位移变形特征问题,以牛寨山双洞八车道公路隧道为研究对象,建立了考虑工程实际地形、工程地质的三维有限元模型,开展了隧道开挖的施工力学形态数值模拟分析,得到了隧道施工过程中隧道围岩变形规律,探讨了小净距大断面隧道近接施工的影响规律.结果表明,小净距大断面隧道所表现出来的施工力学特性复杂,由于偏压的影响,围岩整体水平位移呈非对称分布,最大水平位移发生在南线隧道拱肩处,隧道拱顶下沉最大值发生在先行洞,隧道仰拱处隆起较大;应力集中在两洞仰拱和拱脚处.在此基础上,开展了隧道开挖后的动力有限元计算,分析了洞口段地震力作用下的动力响应,评价了其动力稳定性.计算结果可为优化设计、指导隧道施工以及为隧道稳定性和支护结构安全性评价提供参考.     

北固山隧道施工力学特征及围岩变形控制

基于ANSYS软件,采用有限元法和BP神经网络建立数值分析模型,并确定围岩的力学参数.首先,考虑隧道开挖的空间效应,并分析围岩的位移场和应力场.然后,阐述围岩和边坡的破坏机理,从而进一步表明围岩的牵引作用对边坡和隧道稳定性的重要性.最后,应用所得破坏机理对北固山隧道围岩变形进行分析.结果表明:考虑边坡稳定性和围岩变形的技术方案是合理、有效的.     

降雨条件下急倾斜煤层开采的仿真分析

基于多孔介质流体力学、高等土力学等理论,考虑降雨对急倾斜煤层开采的影响,建立降雨条件下急倾斜煤层开采的流固耦合模型,采用FLAC3D有限差分软件进行数值模拟。通过数值模拟,对降雨条件下急倾斜煤层顶底板附近雨水渗流以及产生的围岩变形进行深入分析,得出不同开采时步下围岩的位移情况,通过与未降雨时围岩变形的对比,得出降雨入渗导致围岩变形加剧的结论。在此基础上,提出了降雨条件下近地表急倾斜煤层围岩在开采过程中的变形情况,为安全开采与防护提供了理论基础和定理依据。     

浅埋偏压隧道洞口段软弱围岩失稳机制分析

浅埋偏压隧道洞口段极易发生围岩失稳,本文以沪昆客专湖南段田家山隧道为例,基于现场地质调查,分析围岩变形破坏特征,从地质角度探讨浅埋偏压隧道洞口段围岩失稳的影响因素,基于监测数据并运用数值模拟方法研究围岩失稳机制,总结围岩失稳破坏模式,提出针对性的处治措施.研究表明:围岩失稳是多因素协同作用的结果,浅埋偏压作用和地下水是造成围岩失稳的关键因素;围岩破坏模式可归结为重力坍塌和膨胀内鼓的协同破坏模式;在围岩失稳机制分析的基础上,提出了"地下+地表"的综合处治措施,可有效地控制围岩变形.     

地面超载条件下覆跨比对浅埋隧道稳定性的影响

以青岛地铁江西路站为工程背景,通过典型数值模型的计算与分析,研究了地面超载环境中覆跨比对浅埋隧道的变形与受力特征等开挖稳定性规律.结果表明:不同覆跨比下浅埋隧道的破坏形态相似,首先是拱肩部位的围岩发生剪切破坏,然后破坏面逐渐发展至地表,围岩的塑性区形状呈倒锥体;覆跨比大小对隧道的围岩稳定性影响显著,覆跨比小于0.2时,围岩的破坏程度严重,出现地表、拱顶沉降变形不收敛的现象;覆跨比增大,有利于加强围岩与支护的共同作用,可以控制地层的变形发展、降低围岩的应力扰动;地面超载值越高,隧道结构的变形与地表沉降越大,围岩的应力扰动也越严重.     

强降雨影响下破碎复理岩地层隧道洞口段失稳机理

针对强降雨下Kosman隧道冒顶事故,在现场实时监测基础上,结合离散元数值模拟,分析强降雨下围岩裂隙及渗流的动态变化规律。同时,用能量的方法对围岩破坏过程进行研究,分析围岩势能与动能转化过程,从能量的角度验证围岩不同区域的稳定性。研究结果表明:隧道开挖初期,围岩自承能力较好;降雨过程中,随着隧道顶部岩体节理渗流逐渐增大,岩石节理面刚度和强度逐步降低,地表至拱脚围岩扰动区出现大量剪切破坏裂缝,且数量及长度都随埋深增大而减少。贯通裂缝形成渗流通道导致降雨从拱顶处涌入洞内,洞周孔隙水压力及渗流场呈漏斗型并逐渐降低,围岩应力增大加剧沉降推动冒顶产生。     

大断面高速铁路隧道施工方法的三维数值研究

针对大断面高速铁路隧道施工过程中出现的复杂施工力学问题,以花甲山高速铁路隧道为依托工程,采用三维数值软件对花甲山隧道的施工动态过程进行数值模拟,得到了隧道围岩的应力、位移分布特征和地表变形规律,通过与现场实测数据进行对比,总结出大断面高速铁路隧道的动态施工力学特征,为大断面高速铁路隧道施工方案优化提供依据.     

降雨入渗条件下边坡湿陷变形的数值模拟

降雨入渗是边坡发生失稳滑动破坏的主要因素之一为研究降雨入渗条件下边坡湿陷变形的基本特性,采用修正的巴萨罗那模型（BBM）和非饱和多孔介质力学理论,建立了基于弹垫性分析的非饱和流固耦合计算模型,开发相应的有限元程序,进行降雨入渗下非饱和土边坡渗流场和应力场耦合的数值分析,研究了降雨持时、降雨强度以及饱和渗透系数对边坡渗流和变形的影响．结果表明：该计算模型能够很好地反映边坡的湿陷变形特性,最大湿陷变形发生在坡面拐角及坡顶位置．降雨强度和土体饱和渗透系数的大小对边坡内孔压和位移影响显著：在降雨强度小于饱和渗透系数时,坡内孔压及位移随降雨强度的增大而增大;当饱和渗透系数小于且接近降雨强度时,坡内孔压和位移增量明显增大;而当饱和渗透系数远大于或小于降雨强度时,坡内孔压及位移变化量则较小．     

铁路大断面黄土隧道初期支护作用效果

以兰渝铁路胡麻岭隧道为工程背景,通过三维数值模拟结合典型断面现场监测,对铁路大断面黄土隧道初期支护的受力与变形特性进行综合研究,通过数值模拟得到黄土隧道在开挖扰动后初期支护的受力状态,将数值模拟结果和现场监控量测数据进行对比,获得典型断面围岩与锚杆轴力的变化规律,并对初期支护作用效果进行评价,找出施工过程中的薄弱环节,提出相应的优化措施.结果表明,数值计算与现场实测结果基本吻合,黄土地区隧道施工应坚持"及时支护、及早封闭"原则,确保开挖后围岩变形的稳定.     

大桥隧道锚碇三维粘弹塑性数值模拟

为了解某大桥隧道锚碇及围岩体在张拉荷载下的变形状态及时效特性,采用三维显式有限差分软件FLAC3D对该大桥隧道锚碇系统进行三维粘弹塑性数值模拟.根据地质资料以及混凝土锚碇结构尺寸,建立隧道锚碇的三维计算模型,对岩体与锚碇之间的相互作用以及锚碇结构在长期荷载作用下的破坏模式进行研究,分析了由于施工开挖引起的锚碇和隧道围岩的位移及其应力变化.分析结果表明:当考虑岩体的流变力学特性后,在设计荷载作用下,锚碇和隧道围岩的变形均有所增加;与弹塑性计算结果比较,施加荷栽后经流变分析得到的隧道顶拱和底板的切向应力有所降低,拉应力的量值及拉应力区的范围减小,塑性区体积进一步扩大.     

砂性地层中盾构隧道掘进围岩变形特性

以狮子洋隧道砂性地层段地质条件和施工资料为基础,建立有限差分数值计算模型.通过比较不同断面监测点随开挖进程的位移值,结果表明:先掘隧道围岩向中心收缩,上下部围岩变形明显大于两侧;后掘隧道对先掘隧道有横向外挤的作用,但对纵向几乎没有影响.对有、无渗流作用的2种工况的比较分析说明,起初渗流对围岩变形影响不大,但最终加剧了围岩的变形程度.提出了开挖面前方土体扰动的累积效应和累积效应曲线的确定方法,通过该曲线可确定土体扰动范围和程度,经过理论分析,认为影响土体位移速率的2个因素是土体与开挖面间距和盾构推力.     

浅埋泥岩隧道仰拱底鼓力学特性

为了研究浅埋泥岩隧道仰拱底鼓变形特征,提出一种新的模型试验法,以强制位移的加载方式模拟基底围岩的膨胀作用,对隧道基底围岩膨胀引起的衬砌与围岩受力变形破坏特征进行了系统分析。结果表明：泥岩隧道因基底膨胀作用发生仰拱底鼓后,衬砌的应力及洞周围岩压力分布发生显著变化;拱脚外侧和仰拱内侧表现为环向拉应力,容易出现受拉破坏;相较于衬砌的其他部位而言,拱脚和仰拱对基底膨胀的力学响应更为明显,且随着膨胀作用的增强,拱脚和仰拱之间的应力差值逐渐增大;按照围岩的失稳状态,将围岩压力的变化状态分为初期增长、中期稳定和末期快速增长3个阶段,在末期快速增长阶段,隧道竖向收敛值快速增加,衬砌应力增长速率变大,加剧了仰拱的破坏;基底膨胀作用下使得隧道两侧围岩容易失稳。研究结果可为泥岩隧道结构设计优化提供有益参考。     

考虑地震影响的小间距隧道围岩流变损伤

针对隧道围岩的流变特性，基于拟静力法建立了隧道围岩在流变过程中有地震作用时的长期变形与稳定性分析格式，并对三车道小间距隧道的开挖施工过程进行了粘弹塑性数值分析，探讨了地震对小间距隧道围岩与支护结构的影响。数值仿真对比分析表明：地震因素对隧道周边各点的水平位移影响较大，对竖向位移影响较小；中间岩壁在地震影响下，可能发生错动破坏，而且在施工方法的共同影响下有侧向移动的趋势，这将对小间距隧道的安全稳定产生不利的影响。给出了在典型施工方式下，三车道隧道围岩破坏特征及其施工过程中小间距隧道洞周特殊点粘弹塑性的变形规律，可作为小间距隧道设计参考。