围岩侧限对自膨胀锚杆性能影响效应研究

大掺量膨胀剂水泥浆作为锚固体的新型自膨胀高强预压锚固技术可显著提升锚杆抗拔力,为研究该技术在围岩侧限条件下的锚固性能,研发了模拟地应力条件下岩体锚固的装置及方法,并开展了不同围岩侧限等级、不同膨胀剂掺量条件下锚固体膨胀应力实时监测及拉拔试验,分析了膨胀应力演化规律、锚固破坏形态及抗拔力提升机理、锚杆界面力学特性及锚固系统破坏耗能规律。结果表明:①内界面应力存在随时间的损失效应,损失率随掺量呈线性递减的关系;定义了协同应力,指出内界面应力峰值与协同应力峰值存在滞后时差,并从应力传递的角度解释了其力学机制。②拉拔过程中微扩头"卡"在锚孔内并不断上移形成了该锚固体系独特的"荷载平台效应",极大提升了锚固系统的延性及破坏极限耗能值,并绘制了该效应的力学机制图;建立了自膨胀锚杆的极限抗拔力预测模型,指出初始侧限应力值对极限抗拔力呈指数式影响,表明在工程运用中侧限约束强的围岩能大幅提升锚杆极限抗拔力。③引入自膨胀影响系数λ、围岩侧限影响系数k,建立了自膨胀锚固体系的锚杆界面力学公式及能量方程,并结合算例验证了公式的可行性;得出0.7 MPa初始侧限应力条件下,ω=30%的锚固极限抗拔力较普通锚固提升了2.38倍,锚杆峰前位移量提高了1.08倍,锚固系统峰前耗能值提升了6.34倍。     

深部节理岩体分区破裂化机制数值研究

基于深部地下工程围岩反复承受地质力作用和开挖扰动,其完整性和力学性能弱化的现实,认为其应力-应变关系服从峰后软化的遍布节理模型,然后考虑节理、原岩应力以及影响岩体性质的变形参数和强度参数等因素,设计模拟方案,利用FLAC3D数值软件,再现了围岩分区破裂化过程.模拟结果表明:节理的存在和分布对分区破裂化现象的形态和规模存在很大影响.岩体强度与原始应力场的相对关系是引发围岩分区破裂化的关键.当初始地应力超出岩体单轴抗压强度时,围岩将出现分区破裂现象,初始力相对于岩体强度、泊松比的增大与分区破裂的数目、破裂区延伸长度、破裂区范围等成近似的正比,而内摩擦角则呈现相反趋势.这一结果部分揭示了分区破裂发生的力学机制,为深部围岩支护设计理论的建立提供了有益参考.     

类岩石材料裂纹单轴压缩扩展行为研究

构建可靠的裂隙网络模型是岩质边坡、隧道和地下矿山巷道等各类岩体工程稳定性研究的基础。开展室内试验，研究含不同尺寸、不同倾角裂纹岩样在单轴压缩下的力学行为。结果表明：类岩石试样的峰值强度随裂纹倾角的增大而减小，且随裂纹倾角的增大，峰值应力对应的应变减小、幅度较大，类岩石试样在峰值强度后，表现出准脆性破坏特点；裂纹尺寸对试样的峰值应力和对应的峰值应变有较大影响，随裂纹尺寸增大，试样的峰值应变增大，但裂纹的形状（圆形和矩形）对峰值应力、应变的影响较小；验证了最大周向应力理论得到的在不同裂纹倾角下的开裂角，与单轴压缩下到不同裂纹倾角进行比较，发现在裂纹倾角较小时裂纹的开裂角与试验得到的相差不大，约7.39%～11.82%；而裂纹倾角增大时，相差较大，约33.15%。     

岩石峰后应力应变特性的加卸载试验研究

为了研究隧道开挖过程中围岩在加卸载条件下的应力应变特性,采用TAW-2000微机控制岩石伺服压力试验机对辉绿岩进行了三轴加载和卸围压试验,通过分析岩石强度、体积变形在试验全过程中的变化规律及其与围压的关系,研究岩石的力学特性、变形特性及其破坏机理.结果表明,在卸载试验条件下,岩石在屈服破坏后,同样具有应变软化特性和破裂...     

深埋高地应力水工隧洞地应力特征及岩爆脆性破坏深度预测研究

为解决高地应力情况下水工隧洞开挖时产生的岩爆问题,以新疆某高埋深水工隧洞为依托,并结合现场水压致裂法和钻孔套芯解除法测试获得的地应力数据。研究深埋引水隧洞区域地应力场分布规律,通过强度理论判断岩爆发生的可能性;在考虑高地应力与围岩开挖二次应力状态作用前提下,通过岩爆破坏区深度理论公式,结合现场数据计算出岩爆破坏深度。结果表明： 1）隧洞处平均初始地应力应力基本在23 MPa左右,最大水平主应力为28.6 MPa,属于高地应力隧洞; 2）三向主应力间的总体关系为σH（最大水平应力）>σZ（自重应力）>σh（最小水平应力）,属于σHZ（走滑型）初始地应力场,以水平构造应力为主导; 3）隧洞最大主应力与最小主应力之间差值较大,依据摩尔-库仑准则,表明该隧洞开挖的临空面会存在较大的剪应力,易引起隧洞发生岩爆; 4）在隧洞开挖过程中,隧洞将会发生中—强等级的岩爆,发生岩爆脆性破坏最大深度为0.68 m。     

深埋隧道拉裂-滑移式片帮力学机理研究

针对深埋隧道开挖引起的侧墙片帮问题,以深埋隧道侧墙拉裂-滑移式片帮为研究对象,根据摩尔-库伦准则和片帮体极限平衡方程,建立了片帮体在支承压力、自重应力及剪切面上滑移力共同作用下的受力模型,推导了片帮岩体的前缘高度、水平坍塌宽度、后缘张拉裂隙深度及其上下限值的理论公式。分析了岩体重度、黏聚力和内摩擦角对隧道侧墙前缘高度、水平坍塌宽度及后缘张拉裂隙深度的影响。结果表明,隧道侧墙发生拉裂-滑移式片帮时的水平坍塌宽度与侧墙岩体黏聚力和内摩擦角成负相关关系,与岩体重度和侧墙高度成正相关关系;而片帮体后缘张拉裂隙深度却与侧墙岩体黏聚力和内摩擦角成正相关关系,与岩体重度和侧墙高度成负相关关系。当岩体重度和侧墙高度一定时,可通过增加岩体的黏聚力和内摩擦角来控制侧墙的拉裂-滑移式片帮。侧墙单斜面剪切破坏是拉裂-滑移片帮的一种极限情况,当侧墙岩体的力学指标满足一定条件时,侧墙岩体由拉裂-滑移发展为单斜面剪切片帮。在此基础上分析了某隧道区间侧墙片帮岩体的前缘高度、水平坍塌宽度及后缘张拉裂隙深度等关键参数,为深埋隧道侧墙岩体片帮的有效控制提供了可以参考的计算分析方法,为合理确定该隧道围岩支护方案提供了科学依据。     

大连市引碧供水隧洞工程岩体质量分级及评价

根据隧洞区工程水文地质条件，岩石软硬和岩体完整程度，初步做出定性划分并选出各级有代表性的岩样做室内、外试验测定定量的指标值，以此做为计算岩体基本质量指标分级依据，在此基础上再按地下水大小，地应力高低，主要结构面产状与洞线走向的组合关系对岩体基本质量影响程度进行修正。此法是国际“ＧＢ５０２１８－９４工程岩体分级标准”在大连市引碧供水隧洞工程岩体分级的初步实践。同围岩工程质量分类法，巴顿Ｑ系统法及比尼     

土质边坡重力式挡墙主动土压力的近似解析解

根据极限平衡及应力圆分析理论,对一般重力式挡墙主动土压力计算模型进行了分析,获得了近似解析解。结果表明,墙的主动土压力不仅与墙后土体的重度、粘聚力、内摩擦角及墙背倾角有关,还与墙背与土体间的粘聚力、外摩擦角及墙后坡面倾角有关,同时其合压应力在墙背不同点的作用方向也有所不同。     

一种非极限状态主、被动土压力计算方法

为了完善非极限状态主、被动土压力计算方法中的不足,以刚性挡土墙为研究对象,采用加权组合的数学思想构建了一种非极限状态土压力计算模式。利用非极限状态土压力与静止土压力、松弛应力、挤压应力三者的关系方程,并引入松弛应力发挥系数和挤压应力发挥系数,分别推导得到非极限状态主、被动土压力的加权组合计算模型;借助非极限状态侧土压力系数与填土内摩擦角、墙土摩擦角的关系式,得到一种求解加权组合计算模型的计算方法;通过引入非极限状态墙土摩擦角与位移比的关系公式,在非极限状态土压力与挡土墙位移之间建立了对应关系。结果表明:本研究方法与经典理论计算结果基本吻合,验证了边界条件的合理性;当挡土墙位移处于非极限状态时,本研究方法较已有文献方法的计算结果更接近于试验数据;本研究方法考虑了非极限状态侧土压力系数与土体内摩擦角、墙土摩擦角的非线性关系,更适用于实际工况;在松弛应力发挥系数、挤压应力发挥系数作为加权组合计算模型中的权重,可以直观反映出应力变化对于非极限状态主、被动土压力的影响程度,为构建土压力计算模式提供了思路;由于墙土摩擦角实测数据偏少,其数值演变规律有待进一步探明,导致本研究方法的计算精度仍有一定提升空间。     

不同应力路径堆石料大型三轴试验特性研究

对两河口高土石坝的堆石料D3进行等σ3应力路径和等P应力路径的大型三轴试验,研究不同应力路径堆石料的抗剪强度特性和应力-应变关系。结果表明：堆石料的粘聚力C是真实存在的,且抗剪强度呈非线性,而应力路径对堆石料的抗剪强度影响很小;堆石料在低围压具有明显的剪胀,且不同应力路径的应力-应变曲线不同。在试验的基础上计算几个本构模型的模型参数,并分析了模型的适用性,为该工程设计提供力学参数。     

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。     

锚杆支护原理的另类解释

锚杆支护的一般作用原理是提高围岩各向力的平衡程度。锚杆支护在特殊条件下的作用原理是对围岩吊挂固定。对比使用锚杆前后围岩基本力学参数变化,可以看到锚杆调整围岩应力平衡的作用,远大于吊挂固定围岩的作用,围岩应力分布状况是锚杆设计安装的依据。     

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。     

粉质黏土在不同应力路径下剪切变形特性研究

针对无锡地区代表性的原状粉质黏土,模拟基坑开挖不同应力路径条件,探索土体在不同应力路径条件下的应力-应变状态规律,为合理选择本构关系和合适参数提供基础。通过对无锡地区代表性的原状粉质黏土进行不同应力路径的模型试验,将得到的应力应变双曲线图归一化,采用HSS模型对试验进行模拟,并与试验结果作对比。得出:无锡粉质黏土具有明显的非线性特性,不同应力路径对土体的变形及强度有着显著的影响。HSS模型计算土体应力应变时,模型会根据加卸载状态选择相应的模量,能够更好地模拟无锡粉质粘土的不同应力路径对初始模量的影响。     

地铁盾构隧道弯矩和变形控制值研究

为评估紧邻基坑施工对地铁盾构隧道结构安全和运营安全的影响,需确定盾构隧道结构的弯矩和变形控制值。以广州地铁一号线黄沙车站地铁上盖基坑工程为背景,首先,根据盾构管片尺寸、配筋和接头螺栓情况,计算盾构隧道管片的弯矩控制值,评估依托工程盾构隧道结构的应力水平;其次,通过等效轴向刚度模型理论和简易接缝张开量计算方法,分析盾构隧道纵向变形曲率与管片环缝接头张开量的关系;然后,结合地铁盾构隧道保护经验和管片环模型试验结果,提出盾构隧道变形的控制值;最后,通过依托工程地铁盾构隧道结构的三维变形实测数据分析,评估目前盾构隧道结构的安全现状,并对隧道变形的监测工作提出建议。研究成果可为今后类似工程地铁盾构隧道的安全保护提供指导。     

EXCEL VBA在隧道断面检测与维护管理数据库之应用

隧道检测中之断面量测,是营运中隧道之维护管理作业最直接的监测数据之一;长期而定期的断面变形监测,不仅可以掌握营运中隧道稳定性的变化,更可以进一步做为隧道安全评估与结构补强之重要信息。透过Microsoft Office 2003成员中之EXCEL及其VBA(Visual Basic for Application)开发隧道断面检测资料处理标准程序模块,处理数量庞大之潜盾隧道断面原始量测数据,使原始资料成为可查询及模块化的信息。程序自动展绘之断面图可配合现地变形状况交叉比对及研析应力影响程度,而爰此逻辑模式可突破不同断面扫描系统量测资料格式不一之限制,经程序模块处理之多次任何格式断面量测资料,皆能自动展绘、套叠前、后期检测断面图并比较其变化。后续以系统处理之断面信息汇入数据库,更可让维护管理主管机关作为主要之维护管理信息系统资料,并发展为加值型之决策支援系统。     

以管幂工法施筑穿越高速公路路堤之浅覆盖车行涵洞设计及施工案例探讨

早期高速公路建设基于成本、工法技术考量,于许多路段采用路堤型式,随着都市蓬勃发展过程,路堤阻隔造成都市发展的障碍,尤其是交通不便,故穿越路堤的车行箱涵在都市发展过程中伴演关键性角色。本工程将辟建12 m(W)×3 m(H)×50 m(L)的双车道箱涵,经评估以管幂工法作为辅助工法最佳。本计划之涵洞工程将穿越国道高速公路,其交通流量大、施工安全管理要求严苛。配合前后道路衔接高程,管幂顶至路面之覆土厚度0.6～1.0 m,属浅覆盖施工,管幂施工难度高。在特殊施工条件下,管幂推管时对地表土壤之应力应变行为,经由数值模拟可初步研析。而对于高速公路路堤之影响除了要求施工质量及做好工地管理外,需配合自动监测系统以确保高速公路于施工期间之安全性。本工程于管幂施工阶段可能产生之高速公路路面沉陷量为1.1～2.0 cm,箱涵开挖阶段可能产生之沉陷量依工程经验推估为1.0～3.0 cm,整体来说当覆盖层厚度小于2倍推管直径时,沉陷量随着浅覆盖厚度之减少而增大。管幂工法于砾石层施工,其灌浆压力之控制对于高速公路路面变形影响甚大,尤其是当管幂推进出坑作业时,由于自由面解压,常造成灌浆渗漏及路堤路面变形。