开挖扰动及降雨入渗影响的地表沉降特征研究

为研究施工扰动和强降雨浸透影响下的地层变形演化特征,采用通用离散元程序(UDEC),开展不同降雨强度及不同开挖深度组合下地表沉降特征的模拟研究,探索开挖过程中的地表孔隙水压力及位移场分布规律。结果表明:随着开挖深度的增加,孔隙水压力逐渐减小,而土层的沉降量明显增加,且两者均受监测点与开挖位置之间距离的影响;降雨条件下土层的沉降量易受开挖工况的影响,靠近土体上层的土质(如杂填土及碎石填土,黏性土和砂土等)在开挖后产生的沉降量变化相似,下层的土体(如构造破碎带)相对发生沉降量较小;此外,上层土体的性能松散,透水性较好,具有较大的变形特性,所以,降雨入渗会增加上层土体的沉降量。     

基于流固耦合理论下不同开挖方式的位移影响分析——以阿嘎下隧道为例

针对富水区阿嘎下隧道穿越断裂活动带的工程地质和施工特点,采用有限元midas GTS NX,建立基于不同开挖方式下的阿嘎下隧道模型。对比考虑流固耦合作用下的围岩位移,研究表明:对于3种开挖方式,当开挖间距不变时,随着注浆圈从0.1d增至0.5d(d为隧道净宽),地表沉降量减小;当注浆圈不变时,随着开挖间距从1d增至5d,地表沉降量减小。考虑渗流作用对围岩地表沉降的影响,建议类似阿嘎下隧道工程采用环形开挖预留核心土法,开挖间距为3d、注浆圈为0.3d较合适;对比不同开挖方式下0.3d注浆圈和3d~4d开挖间距导致的沉降量,结果表明CRD开挖法引起的地表沉降量最小,环形开挖预留核心土法沉降量最大。     

含地下采空区岩质边坡的施工过程数值分析

为研究含地下采空区的岩质边坡在施工过程中的各种响应与稳定性,采用SURPAC建立某磷矿的三维地质模型。在边坡坡顶、坡角与采空区四周布置应力与位移监测点。利用接口程序将三维模型导入FLAC3D,计算露天边坡开挖过程中监测点的应力与位移。计算结果表明:坡顶与坡角水平位移与竖向反弹位移随着边坡开挖的进行越来越大,但每步开挖完成后新增的反弹位移越来越小,这与每步开挖的卸载量大小有关。坡顶监测点处于拉应力状态,坡角监测点处于压剪应力状态,在监测点所在位置开挖时,压应力显著变大。地下空区的开挖过程对空区的竖向位移与应力有极大影响,最大主应力在每步开挖完成时突然增加,且增幅很大。建议在施工过程中,加强对采空区与边坡坡顶及坡脚的位移与应力的量测,以确保施工安全。     

厚松散层高强度开采岩层与地表移动模拟

为研究厚松散层高强度开采引起的岩层与地表移动,对霍宝干河矿某工作面的覆岩破坏及地表沉降进行三维数值模拟,得到该高强度开采工作面在不同推进距离时采空区上覆岩层的塑性区和垂直位移分布云图。对覆岩破坏特征及地表沉降进行了综合分析。用概率积分法和现场实测值验证数值模拟的有效性。结果表明:3种方法得到的地表沉降值接近;覆岩破坏发育过程可划分为4个阶段:起始阶段、缓增阶段、突增阶段和终止阶段;覆岩破坏边界呈正八字形,厚松散层移动边界呈倒八字形,最终呈现出"类沙漏"形岩体与地表移动边界。     

黏土地层联络通道冻结壁厚度优化设计及应用研究*

为解决传统冻结壁设计方法不能真实、合理地反映黏土地层中联络通道冻结壁实际受力情况,进而导致冻结壁厚度设计过于保守的问题,结合黏土地层直墙拱形冻结壁实际受力特点,基于对冻结壁支护压力的合理计算,提出1种适用于黏土地层冻结壁厚度设计的优化方法。结果表明:与传统设计方法相比,该方法所确定冻结壁支护压力与实际施工环境中冻结壁受力状态吻合效果更好,并且能够提供合理的安全储备;经数值计算和现场应用验证,计算所得冻结壁设计方案可以满足施工环境中的承载力及变形稳定性要求;且相较传统设计方案,所得方案兼具安全性与经济性,可有效规避因设计过于保守和冻结周期过长引起的冻胀、融沉变形过大等工程灾害的风险;该方法高效、易行,可为传统冻结壁设计方法提供必要补充,亦可为类似工程的施工设计提供有益参考。     

露天煤矿内排土场填方体变形规律研究

为了合理地优化元宝山露天煤矿内排土场填方体与英金河改选河道位置的安全距离，开展露天煤矿内排土场的沉降变形规律研究。采用定常伯格斯(Burgers)蠕变模型对排土场填方体细粒土质砂蠕变参数进行反演，应用有限差分软件FLAC^3D对内排土场排水垫层砂砾石土蠕变参数进行反演，同时利用FLAC^3D对内排土场填土过程进行数值模拟。结果表明：在整个排土过程中，排土场的沉降位移随着时间的延长而增加，在前0～2 a内，沉降位移增加速率较快，在2～4 a内，其增加速率出现减小，而在4 a以后趋于稳定；在细粒土质砂参数反演过程中，在蠕变过程的衰减蠕变阶段，数值计算与现场监测结果差距较大，而在稳态蠕变阶段，数值计算和现场监测值相一致；填土高度对排土场填方体的沉降量及其达到稳定的时间具有影响，填土高度越大，工后沉降量越大，所需达到稳定的时间越长；填方体推进位置对排土场的沉降位移具有较大的影响，合理地优化填方体与河道安全距离可以缩短排土时间。     

预制桩施工对周围环境影响的试验研究及保护措施

采用模型试验,基于3×3预制群桩,模拟了预制桩的施工过程,研究了周围土体变形和孔隙水压力的变化规律。试验结果表明,沉桩过程中,桩区内外地表土体水平变形和隆起变形表现出不同的变化规律,孔隙水压力是不断增大的,桩底孔压大于桩身中部孔压,在桩区外,孔隙水压力随着径向距离的增加呈指数减小。就影响范围而言,预制桩施工的影响范围达到1倍桩长左右。试验结果对软土地区预制桩施工具有实践意义和指导价值。     

盾构近接立交桥基础安全影响三维数值分析

为了提高盾构近距离穿越立交桥群桩基础施工中的安全性,采用有限元方法建立三维数值模型对盾构穿越群桩基础过程进行动态模拟,分析了群桩基础水平位移的变化规律以及地表受盾构影响的变形规律。结果表明:盾构掘进对桩基础水平位移影响最大,且水平位移增长过程分为盾构到达前、穿越时以及注浆阶段3个阶段,3个阶段水平位移值比例为6∶3∶1;盾构在竖直方向对桩基础水平位移的影响范围为1D（盾构直径）,水平方向为3D;此外,处于盾构左右双线之间的桥梁结构由于受到土层和桩基础沉降的双重影响,会产生较大的位移,实际施工中建议加强该区域桥梁结构的监测。     

基于FLAC3D的盾构隧道施工过程建模影响因素分析

基于FLAC3D对盾构隧道施工过程模拟,研究建模影响因素及其影响程度。首先,综合隧道开挖过程中盾构机前体与岩土层间相互作用的影响因素来模拟隧道开挖过程,确定地表沉降和隧道垂直（Z）方向应力;然后,分别模拟去除其中一种因素后的隧道开挖过程,并求出相应的地表沉降和隧道垂向应力;最后,基于傅里叶变换对各种情况下的地表沉降量和应力应变状况进行比较分析,找出各因素对建模的影响程度,从而为利用FLAC3D进行盾构隧道施工模拟时的影响因子的选择提供参考。研究结果表明：一方面,建模过程中的各种因素对地表沉降的影响大于对隧道Z向压力影响;另一方面,盾构机推进给作业面土体压力、盾尾灌浆延迟于管片拼装造成的暂时对土体支护力不足、盾构机刀盘转动给作业面土体的扭力等因素对模型解算造成的影响最大。     

西安地铁车站深基坑变形规律FLAC模拟研究

开展西安地铁深基坑变形规律理论与监测的研究对指导西北地区深基坑信息化施工具有重要价值。本文以西安地铁2号线某车站深基坑工程为背景,完成了车站深基坑施工监测方案设计,对深基坑施工过程进行了FLAC计算模拟,重点研究了桩体变形、钢支撑轴力、基坑周边地表变形规律。结果表明,复杂环境下城市地铁车站站深基坑明挖施工时,现场监测是信息化安全施工的保证,采用钻孔灌注桩和钢支撑的复合围护方案作为车站深基坑的围护结构是合理的,土方分层开挖方式和钢支撑预应力施加是减少空间效应保证安全施工的重要措施。桩身水平位移特别是桩顶水平位移是围护结构变形特性的直接反映,围护桩变形最大的地方为基坑中部到三分之二基坑深度处。基坑围护结构附近的地面隆起量明显小于基坑中部的隆起量,随着开挖深度增大,隆起量逐渐由基坑中部最大转变为两边大中间小的型式。     

含砂砾富水复合地层地铁联络通道施工风险分析与控制研究

依托南昌轨道交通1号线中~子区间含砂砾富水复合地层地铁联络通道工程,针对施工过程中揭示的富水砂砾地层,对联络通道施工进行风险分析,建立了三维数值分析模型,分别探讨了富水条件下联络通道地层预加固、降水井降水结合地层预加固两种处理措施下联络通道施工后地层反应,据此提出了含砂砾富水复合地层处理技术方案。方案实际应用效果良好,有效控制了联络通道施工风险,可供类似地层条件参考。     

竖直分支管道泄爆开启压力对甲烷爆燃压力的影响研究

针对市政排污管网等典型受限空间内可燃气体爆燃风险,建立由水平管道和竖直分支管道构成的数值模型,研究竖直分支管道不同泄爆开启压力对甲烷爆燃压力的影响.研究结果表明:不同泄爆开启压力条件下,管道内存在爆燃压力积聚和泄放的双重效应;水平管道内各测点压力时程曲线均表现为先增大后减小而后出现亥姆霍兹振荡,随着与爆源距离的增加,初...     

热力耦合作用对桩及桩间土拱效应的影响研究*

为研究负温对桩侧应力及桩间土拱效应的影响,通过FLAC3D软件模拟热力耦合作用下新型排桩冻结法中桩间土拱效应的变化及温度效应下的桩间距,并根据巴霍尔金单排管冻结稳态温度场解析解,建立冻结壁平均温度区域解。研究结果表明:桩土接触面的应力分量τxy近似线性变化,应力分量σx近似均匀分布,温度降低对应力分量τxy的分布影响较小,但对应力分量σx的影响较大;负温使桩间距发生变化,且整体平均应力的分布也更加均匀化;通过与巴霍尔金解析解对比,证明单排管冻结温度场模型的可行性,在此基础上建立的单排管冻结壁平均温度区域解,其与数值模拟结果相差不超过1 ℃,计算误差满足工程要求;随着冻结时间的增加,单排管冻结壁温度场呈抛物线形式降低。     

考虑采空区压实效应的沿空掘巷煤柱设计方法研究*

为建立1种相对科学的沿空掘巷煤柱尺寸设计方法,采用理论与数值试验研究、现场试验等手段,基于采空区压实效应,分析各尺寸煤柱沿空掘巷掘采全过程围岩应力分布与变形。研究结果表明:采空区压实效应模拟研究方法能够模拟采空区应力恢复;掘巷过程中,煤柱内应力由小到大依次为:工作面倾向水平应力、工作面推进方向水平应力、垂直应力,在小尺寸煤柱内呈偏向采空区一侧的单峰分布,小尺寸煤柱逐渐向大尺寸煤柱过渡期间,内部应力量值开始比原岩应力小,随后逐渐增加至出现一定的应力集中,而实体煤帮中峰值应力不断降低,位置逐步向巷帮转移;受超前采动作用后,更大面积的煤柱会受高应力作用,大尺寸煤柱内垂直及水平应力集中系数逐步提高,工作面倾向的高应力区范围更广,当煤柱宽度不超过一定数值时,内部应力大小均低于掘巷过程中相应数值,大煤柱则具有相反的规律,实体煤帮中应力集中系数与掘巷时相比更大,峰值点向围岩深处进一步转移;研究结果通过工程实践检验,可为合理煤柱尺寸设计提供1种新的方法。     

多层建筑火灾烟气运动和回燃的数值模拟研究

为了解多层建筑火灾的蔓延发展和烟气运动,应用大涡模拟(LES)方法对多层建筑火灾发生过程进行数值模拟分析,模拟不同工况下走廊和各楼层中火灾烟气运动和温度的变化情况.尤其针对内部含有竖井的多层建筑,考虑到烟囱效应对火灾发展和烟气蔓延的影响,分别设置自然排烟和机械排烟的实验工况,分析电梯间通风口在自然排烟和机械排烟状况下火灾的发展和烟气运动.通过分析温度和能见度数据,发现合理安排机械排烟能够争取更多人员逃生时间.对于多层建筑火灾中发生的回燃现象进行了原因分析.     

加载条件下多尺寸原水管道受力特征模型试验

为解决在施工过程中管线附近超载导致的爆管问题,分析堆载对不同管径原水管线受力变形的影响,基于模型试验研究管道的受力变形特征,并通过数值模拟计算对试验结果进行论证。结果表明:有限元计算结果与试验结果较吻合,管底整体应力值大于管腰处;在相同荷载作用下,随着管道直径的不断增大,管道所受的应力值越来越小;当荷载距离管轴线较远时,管道整体应力值变小;对比发现,随着加载值逐渐增大、管径逐渐变小,管体轴向应力值逐渐增大,且应力值增长速度较快。这主要是因为小管径的管道长细比较大,在土体中受约束较强,其所受到的应力值较大,容易产生破坏,实际施工时需要注意此类问题。     

自然通风下高层建筑条形走廊烟气控制的研究

运用长廊型风洞为实验模型,通过实验与模拟对比的方法,应用FDS软件,模拟研究自然通风下走廊中常见几种烟气控制模式的效果。分析比较各个模式下温度、烟气浓度等的模拟结果得出,在有自然通风下,挡烟垂壁在火灾初期对延缓烟气扩散效果明显,随着火灾的发展,挡烟垂壁几乎没有效果。采用机械排烟后,走廊内温度与烟气浓度均有明显下降,火灾初期走廊内平均温度明显降低,在火灾后期走廊内烟气浓度降低明显。在排烟量不变情况下,采用两个排烟口比单个排烟口排烟效果更好,240s时走廊内CO2浓度相比下降21%。在前室门口设置防烟空气幕可以防止烟气进入前室,利于人员疏散并大幅降低走廊内烟气浓度和温度。开启两个排烟口和挡烟垂壁,结合前室门前设置防烟空气幕,可以达到最好的烟气控制效果,240s时走廊内CO2浓度下降59%,CO浓度下降58%。     

巷道火灾密闭过程中烟气温度及流动特性研究*

为研究巷道火灾密闭过程中烟气的温度变化规律及流动特性,通过缩尺寸实验台和FDS数值模拟软件对12.65,18.97,25.30 kW不同火源功率及25%,50%,75%,100%不同密闭比例条件下的巷道火灾进行模拟实验。结果表明:密闭比例的增加会使火焰倾角减小,当巷道完全密闭后,火焰形状近似垂直,顶板热辐射和温度增加;巷道在50%和75%密闭比例之间存在1个突变值,当超过此突变值后,顶板温度会急剧升高,同时燃烧会更快进入衰减阶段,且火源功率越大衰减越早;密闭比例的增加会导致烟气逆流长度上升,增加纵向通风速度可有效地抑制烟气逆流现象,当实际巷道火源功率为4 MW时,纵向通风风速设定为3.8 m/s能使烟气逆流得到较好的控制。     

水平管道泄爆面开启压力对甲烷爆燃压力的影响*

为了研究泄爆面不同开启压力对甲烷爆燃压力的影响,针对受限空间内甲烷/空气混合物爆燃传播过程,建立由水平管道构成的数值模型。研究结果表明:水平管道内存在爆燃压力积聚和泄放的双重效应,随着泄爆面开启压力的增加,测点爆燃压力峰值增大而且测点间爆燃压力峰值差异逐渐减小;在泄爆面不同开启压力条件下,泄压效应造成泄爆面及外部空气域爆燃压力衰减,随着泄爆面开启压力的增加,泄爆面开启时间近似呈线性增大;与水平管道内和泄爆面附近测点相比,水平管道外侧测点的爆燃压力峰值和振荡幅值均显著衰减,而且随着泄爆面开启压力的增加,测点爆燃压力峰值及测点间爆燃压力峰值差异均逐渐增大。     

非平行壁面采场充填体三维应力分布规律研究*

为研究上下盘非平行壁面倾斜采场充填体应力分布规律,选取倾斜采场中三维水平充填层作为微分计算单元,基于极限平衡法考虑其竖直方向的受力平衡,提出非平行壁面的倾斜采场充填体的三维应力解析解,并分析不同参数对应力分布规律的影响。研究结果表明:三维条件下非平行壁面倾斜采场充填体竖向应力分布形式同平面应变条件下类似,在计算深度较小时竖向应力为近线性分布,随着计算深度的增加竖向应力增加率逐渐减小,但应力数值相对平面应变条件下较低。上盘倾角一定时,下盘倾角越大则拱效应越不明显;采场高度一定时,高宽比越大,拱效应越显著。充填体—围岩界面内摩擦角对充填体内拱效应影响较大,界面黏聚力和充填体抗剪强度参数对充填体应力分布影响相对较小。研究结果可为充填体强度设计提供参考。