浅覆地层盾构开挖面被动破坏极限支护力及破坏模式研究

浅覆地层盾构掘进时支护力过大极易导致开挖面前方土体发生被动破坏,造成地表隆起。基于筒仓理论,通过优化传统三维楔形体模型,建立楔形块+倒棱台的土体被动破坏三维计算模型(修正三维楔形体模型),并推导被动极限支护力计算公式;对不同埋深下滑动破裂角β分析研究;采用有限元分析软件MIDAS-GTS对盾构隧道开挖面的被动破坏进行模拟,揭示被动破坏支护力变化规律及破坏模式。结果表明:本文研究计算模型更符合开挖面土体被动破坏模式;通过对破裂角β分析,解析土体被动破坏时其最优解30°左右;在浅覆盾构开挖面中,揭示S/(γD)受土体内摩擦角φ、埋深比K的影响,文中S/(γD)随内摩擦角φ的增大呈非线性增加,埋深比K越大,其幅度越明显;破坏模式分析中,K越小,土体位移变形对S/(γD)越敏感,越容易发生开挖面被动破坏;发生被动破坏时,土体纵向位移变形大于横向位移变形。     

随机介质理论下隧道围岩渐进破坏过程数值实验研究

将强度折减法引入到隧道围岩安全评价中,结合"浅埋暗挖快速施工双线小间距隧道、盾构下穿立交结构隧道和结构面含有节理、不规则裂隙的山体公路隧道"等工程实例,借助材料真实破坏分析软件RFPA-2D,建立每个强度折减系数下的有限元模型。模型采用了黏弹性人工边界来消除边界条件对计算精度的影响,并借助随机介质理论实现了围岩细观结构单元的非均值性和随机分布的缺陷,揭示了不同工况下隧道围岩的动态渐进破坏过程、基元相变损伤演变机理和岩体结构面破坏特征,认为隧道围岩的宏观破坏是由岩体非线性材料细观单元的非均值性造成的,计算结果借助不同折减步中裂纹发展趋势和单元破坏的数量判断隧道围岩是否失稳破坏,并计算出具有安全储备意义上的安全系数。同时,结合ABAQUS和RFPA-2D两种不同有限元模型,对比分析了随机介质理论和连续介质理论结合强度折减法在隧道围岩稳定性评价中的差异。     

水平分层土质条件下浅埋隧道掌子面支护稳定性研究

浅埋隧道由于具有埋深浅、开挖面大的特点,在开挖过程中遇到的土质分层情况往往比较复杂。隧道掌子面的稳定性会对隧道施工的安全产生重要影响。保证掌子面稳定性的关键在于如何确定合适的极限支护压力。因此对水平分层土质条件下掌子面的极限支护压力进行研究。首先,根据村山公式的对数螺旋线假设,建立了具有共同旋转中心的分层超前核心土旋转破坏模式。其次,依据覆盖层楔形破坏模式和前人模型试验结果,简化隧道覆盖层土体对掌子面的影响模型;同时,根据极限分析理论计算了土体的外部荷载功率和内能耗散功率。然后,建立引入支护压力的极限方程,推导出了保证浅埋隧道掌子面稳定的极限支护压力的计算公式。最后,为验证理论计算的准确性,将理论分析结果和Flac3D数值模拟结果进行了对比分析。以上理论为研究水平分层土质条件下浅埋隧道掌子面的支护稳定性提供了一定的理论指导。     

基于离散元法的爆破荷载作用下深埋隧道失稳破坏模拟研究

为了研究爆破扰动对深部隧道工程的影响,借助颗粒流程序PFC,开展爆破荷载作用下深埋隧道失稳破坏的数值模拟,分析了不同埋深隧道围岩的损伤演化过程和相同埋深隧道围岩颗粒位移与应力随时间的变化规律。研究结果表明:在距离隧道一定高度的顶面施加爆破荷载,随着埋深的增加,围岩损伤程度越严重,损伤集中于隧道的两帮,并逐渐由隧道右侧向顶板发展;隧道的失稳破坏是由爆破荷载和地应力共同造成的,爆破荷载主要使隧道围岩产生裂隙,而在高地应力的持续作用下,可能引起岩块的剥离和弹射;隧道两帮的竖向压应力大于岩体抗压强度是隧道围岩破裂的主要机制。研究成果为深埋隧道支护技术和灾害预报研究提供了依据。     

地面非对称填载对既有明挖隧道围岩压力的影响分析

运用普氏理论、朗金土压力理论,对地面非对称填载作用下既有明挖隧道围岩的破坏模式和围岩压力计算进行了探讨。分析表明,地面非对称填载作用下既有明挖隧道的围岩压力计算按埋深可分为三种情况:深埋时采用普氏理论计算;浅埋且地面填载侧边墙与滑裂面之间会产生土拱效应时,该边墙所受的围岩压力采用普氏理论来计算,对侧边墙借助朗金土压力理论来计算;浅埋且地面填载侧边墙与滑裂面之间不产生土拱效应时,将左右边墙都当作挡土墙,借助朗金土压力理论来计算。     

基于全动力分析法的地震边坡与隧道稳定性分析

目前地震边坡和隧道稳定性分析方法尚有一些不尽如人意的地方,如地震边坡的破裂面假定为剪切破裂面,这与汶川地震边坡破坏现象不符;地震边坡稳定性分析采用时程分析法,假定在某一时刻加速度作用下,将其作为静力问题来计算边坡稳定安全系数,没有充分考虑加载的动力效应;同样,未考虑地震作用下隧洞围岩的拉破坏,对隧洞围岩破坏缺少动力稳定性标准,也不能充分考虑隧洞围岩与衬砌的动力效应。为此,基于有限元强度折减法,提出了一种完全的动力分析方法——强度折减动力分析法,计算中同时考虑剪切强度和抗拉强度参数的折减,并采用计算不收敛和位移突变综合判断边坡和隧道是否动力失稳破坏,以极限状态时的强度折减系数作为地震边坡和隧道的动力稳定系数,由此获得拉、剪组合破裂面与全动力稳定安全系数,充分考虑了动力效应。     

浅埋小净距隧道掘进爆破引起的地表振动特性模拟分析

基于隧道钻孔爆破时岩体的破坏过程及应力波传播特性,提出了能用于快速计算模拟爆破地震场的等效荷载施加方法。采用等效荷载施加方法对重庆双碑隧道浅埋段掘进爆破时的地表振动进行了数值计算,并将数值计算结果与现场实测振动数据对比分析,验证了该等效荷载施加方法用于模拟计算地表爆破振动特性的可行性。最后,通过计算浅埋小净距隧道两侧隧道掌子面处于不同位置关系时的地表振动情况,得到非主爆隧道开挖后形成的空洞区将对其上部的地表振动强度具有一定的放大作用,且放大倍数与该隧道掌子面同主爆隧道掌子面间的位置相关。     

跨断层隧道施工应力路径识别与扰动分析∗

跨断层隧道围岩性质会发生突变,给隧道施工扰动分析和安全预测带来了挑战。准确识别跨断层隧道在不同围岩条件下施工诱发的应力路径并开展基于应力路径的扰动分析,具有重要的科学价值和工程实践意义。因此,构建了基于围岩应力路径的隧道开挖扰动分析方法,通过三维数值分析识别了跨断层隧道施工诱发的典型应力路径并进行了扰动分析,总结了跨断层隧道施工扰动时空规律。结合围岩的强度准则和应力路径,用扰动系数描述扰动后围岩应力状态接近破坏的程度。随着扰动系数的增大,围岩应力状态逐渐接近破坏准则,当扰动系数等于 1 时,围岩发生破坏。跨断层隧道在上下盘围岩区的扰动系数始终小于 1,处于弹性状态;而断层破碎区因围岩性质差,其开挖扰动系数达到 1,进入塑性和破坏状态。离洞壁越远,施工扰动越小,扰动系数亦越小。支护后,断层破碎区和上下盘硬岩区的扰动系数均出现减小趋势,围岩趋于稳定,表明了支护的有效性。     

浅埋偏压连拱隧道地震响应规律研究

基于相似理论,设计并制作了几何相似比为1:20的浅埋偏压连拱隧道物理模型,完成了振动台试验并测得衬砌的应变响应与加速度响应。在试验基础上,通过MIDAS GTS NX有限元软件建立数值模型,验证了数值模型的合理性与可靠性,研究了浅埋偏压连拱隧道的地震响应规律。结果表明:(1)上覆土层厚度、偏压、衬砌与临空面的距离对浅埋偏压连拱隧道加速度响应的影响较大。(2)浅埋偏压连拱隧道中墙上的应变由于截面几何形式突变与集中力的原因,相对其余测点较大。(3)大小主应变与加速度放大系数趋势线的整体形状不随激振强度的增加而改变。(4)偏压与覆土厚度对连拱隧道位移的影响较小。(5)浅埋偏压连拱隧道中隔墙的应变、轴力、剪力和弯矩相对其他部位均较大,在进行浅埋偏压连拱隧道的抗震设计时,应给与重视。     

二维圆形截面浅埋硐室双层围岩塌落形态上限变分分析

考虑岩土体材料的非均质性,本文分析了圆形浅埋硐室顶部双层围岩塌落稳定性。在极限分析上限定理的基础上,构建圆形截面浅埋硐室双层围岩机动许可的速度场,根据Hoek-Brown非线性破坏准则及相关流动法则,推导了塌落极限状态下内能耗散功率以及外力做功功率计算式。根据虚功原理构造泛函,利用变分法求解泛函的极值,进而根据边界条件求得待定系数,并得到了塌落破坏曲面形状。参数分析表明,材料参数A和B以及容重γ的变化对破坏形状有显著影响,而单轴抗拉强度对破坏形状的影响较小。对比了极限分析有限元软件Optum G2的上限结果,两者破坏面吻合较好,由此可说明本文方法的有效性,可为浅埋隧道设计提供理论参考。     

强震作用下岩体破坏深度及对隧道围岩压力的影响

5·12地震后,震区岩体受到了不同程度的破坏,产生了大量松动岩体,对新建隧道围岩压力产生了较大的影响。为研究地震力对岩体的破坏深度以及震裂松散岩体对隧道围岩压力的影响,基于波动理论和摩尔库伦准则,分析了地震力对岩体破坏的极限深度,推导出解析公式,并通过波速测试结果对震裂松散岩体的松动深度进行了探讨,最后就松散岩体对隧道围岩压力的影响进行了理论分析。研究结果表明:1地震力对岩体破坏有一极限深度,隧道埋深越浅,岩体越易产生破坏;2岩体破坏极限深度与岩体力学参数及地震水平震动速度有关,汶川地震震区岩体的极限破坏深度最大达112m;3汶川地震震后,不同松动程度的岩体分别占破坏岩体深度的20%、30%和50%;4震裂松散岩体对围岩竖向松动压力有较大影响,主要原因为震裂松散体的存在,改变了震后岩体的深浅埋分界深度,在震后松散岩体中修建隧道应按等效埋深来确定深浅埋分界深度。     

日本阪神地震中大开地铁车站地震破坏机理分析

基于ABAQUS有限元软件,对日本神户大开地铁车站在阪神地震中的地震反应进行了数值模拟研究。采用能合理反映剪胀及应变软化特性的统一硬化本构模型来模拟土体的力学行为,同时应用塑性损伤模型描述了混凝土的力学特性,建立了大开地铁车站的三维数值计算模型。首先研究并对比了水平地震动单独作用,以及水平与竖向地震动共同作用下大开车站结构与围岩土体的地震反应,进而探讨了浅埋地下结构的地震破坏机理。数值结果表明:在强震作用下浅埋结构的上覆土体首先剪切破坏,进而丧失抗剪能力;上覆土体丧失抗剪能力后,在竖向地震作用下,其惯性力作用于车站结构顶板,该惯性力与侧壁土体引起剪切荷载的耦合作用使车站结构的中柱压剪破坏,继而结构顶板折断,最后结构整体倒塌。     

深埋硬岩隧洞岩爆风险与结构面倾角关系探讨∗

针对深埋硬岩隧洞即时性应变-结构面滑移型岩爆预测预警问题。以埋深 2 375 m 的某深部地下实验室 7#、 8#实验室发生的一次极强岩爆作为现场测试对象,基于钻孔摄像技术实现隧洞围岩内结构面展布可视化,通过岩爆诱发洞段与安全通过洞段围岩内结构面展布差异的对比分析、围岩弹性应变能分布特征分析与岩爆统计规律分析,对岩爆孕育中结构面的控制作用进行了深入的探讨。研究结果表明,深埋硬岩隧洞边墙与围岩内发育的结构面平行或是小角度(小于 30°)相交时具有更高的即时性应变-结构面滑移型岩爆风险。7#、8#实验室钻孔摄像结果显示,岩爆诱发洞段围岩内结构面近乎平行于边墙发育,3 处安全通过洞段围岩内结构面与隧洞边墙均为大角度 (大于 30°)相交。围岩内不同的结构面展布形态为岩爆孕育提供了不同的能量累积环境,当围岩内结构面平行于边墙或是小角度相交于边墙时 ,结构面的存在将有利于岩爆孕育 。 所有发生于锦屏二级水电站排水洞 SK8+200~8+800 洞段的岩爆统计数据表明,隧洞边墙与围岩内结构面相交夹角较小(小于 30°)的区域具有更高的即时性应变-结构面滑移型岩爆风险,这与 7#、8#实验室现场测试及数值模拟结果相吻合。     

基于修正惯用法的埋深对圆形隧道地震反应影响∗

采用修正惯用法,在考虑土拱效应对圆形隧道结构受力状态影响的基础上,研究了埋深对地下结构地震反应的影响规律。首先,对比分析了不考虑和考虑土拱效应时、地震荷载作用前,隧道结构内力分布及随埋深的变化规律;将作用于隧道结构上的水平地震荷载等效为围岩土体变形导致的土压力的改变值;继而探讨了考虑土拱效应后,地震荷载引起的隧道结构内力的改变,研究了不同地震动强度下,埋深对圆形隧道结构地震反应的影响规律。 研究结果显示,地震作用下,圆形隧道结构的内力随着埋置深度的增加呈现出先增大后减小或趋于稳定的趋势,即圆形隧道结构地震反应存在一个抗震关键埋深。     

基于一种重塑性制样方法的节理黄土力学特性试验研究∗

黄土节理是控制黄土地基、边坡和地下工程破坏与稳定性的重要因素,探讨节理性黄土的破坏特性对于了解边坡后缘拉裂演化过程、滑动面的生成具有重要意义。针对原状节理性黄土室内试验试样制备困难的问题,考虑节理面低强度、弱胶结的特点,以一种接触面模拟材料为载体,结合重塑制样的方法,提出一种节理性黄土室内三轴试样的制样方法,通过重塑试样与原状试样的节理面抗拉强度对比分析,验证该方法的合理性和有效性。在此基础上,开展节理性黄土的无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验,讨论节理性黄土试样的强度与破坏规律。研究结果表明:节理的存在对试样强度和破坏的影响与节理倾角和围压大小有关,表现为低围压和45°倾角时的低强度效应;"沿节理面滑动破坏"与"破裂面与节理面呈X型共轭剪切破坏"是无侧限和三轴条件下的含单条贯通型节理性试样的两种典型破坏模式;非贯通型节理性试样的抗压破坏主要为"破裂面与节理面贯通型破坏"与"破裂面与节理面非贯通型破坏"两种类型。     

极高地应力软岩稳定性指标优先级及多因素耦合分级∗

极高地应力隧道工程设计施工除了考虑地质构造作用极其强烈以外,强度应力比、地下水、膨胀应力、结构面产状等因素对围岩稳定性的影响也必须考虑,同时隧道轴线与最大应力主方向夹角、隧道断面及面积、岩层厚度及倾角等因素也非常重要。以《工程岩体分级标准》为基础,提出一种极高地应力复杂软岩隧道围岩稳定性因素优先级分析思路,并采用熵权法形成多主因素耦合、次因素修正的围岩分级方法。现场实践表明分级结果与现场施工状态吻合较好,进一步对另两座隧道使用本方法进行验证。结果表明,现行规范中围岩分级因素和方法不适用极高地应力情况,且和影响因素优先级加多因素耦合修正 BQ 值的围岩分级方法结果相差 10% 左右,原因是对极高地应力软岩稳定性影响因素考虑不全面。这种围岩稳定性分级方法具有较好的适用性,且耦合时使用熵权法原理使得结果更加偏向于定量计算,减少了人为因素干扰,结果更加客观真实。     

走滑断层作用下跨断层隧洞错断模型试验研究∗

隧洞抗错断研究中,正、逆断层研究较多,走滑断层研究较少。针对走滑断层引起的隧洞变形破坏、应变分布规律以及上覆围岩的破裂形态等关键问题,以滇中引水输水隧洞为依托工程,制作了隧洞模型开展走滑断层作用下断层隧洞的抗错断模型试验研究,得到隧洞在走滑断层断层错动作用下的结构响应规律。结果表明：①隧道衬砌结构在走滑断层作用下的破坏形式是弯曲张拉破坏以及直接剪切组合破坏,其中剪切破坏是主要破坏形式;② 隧道衬砌结构沿纵向以受拉为主,主要集中在活动盘距离错断面?0.5D~2.0D(D 为隧洞直径)范围内的隧洞衬砌顶部以及两侧拱腰沿纵向位置处,而受压区主要在活动盘距离错动面?0.5D~0.5D 内与活动盘移动方向一致的一侧拱腰;环向应变的影响主要集中在断层错动面附近;③活动盘受断层错动影响范围和剧烈程度均小于固定盘,故断层错动作用下的固定盘是隧洞抗错断控制重点。     

滑移孤石稳定性分析及失稳过程研究——以四川省马边县某孤石为例∗

停留在高陡山坡且部分埋入土体的大体积独立崩积物——孤石,在降雨和地震等不良地质情况下会发生失稳破坏并威胁坡脚居民的生命财产安全,独立滑移破坏为孤石的一种主要破坏形式。为了探究独立滑移孤石的滑移力学原理,分析土体物理力学参数对孤石滑移失稳的影响。基于库伦土压力理论,建立上部楔形体土压力计算模型、下部楔形体模型和左右土体模型,使用Mathematics软件分析模型公式中的抗剪强度、黏聚力和滑裂角等对土压力的影响,并使用Flac3D有限差分法分析滑移孤石的失稳过程。结果显示,上部土体所提供的下滑推力随着抗剪强度和黏聚力值的增大而呈减小趋势,下部土体模型能承受的孤石最大推力约19 kN,当孤石推力大于19 kN时,孤石下部土体将以29.22°的滑裂角滑出;下部土体所提供的抗滑力随着抗剪强度和黏聚力的增大而增大,有限差分法模拟得到了孤石以推动表层土体向临空面滑移的方式失稳。孤石周围土体的抗剪强度和黏聚力对孤石稳定性具有控制作用,降雨使抗剪强度和黏聚力降低是孤石滑移失稳的主要原因。     

浅埋偏压条件下特大断面隧道地震动态响应的试验研究

以福州市二环路金鸡山隧道为工程原型,设计制作了浅埋偏压条件下特大断面隧道的1/30缩尺模型,完成了20种工况下的模拟地震动试验,重点关注隧道模型加速度、衬砌接触压力、衬砌表面应力的地震动态响应。隧道中轴面各测点PHA放大系数随高程呈近似对数型增大,改变了原场地高程效应的表现形式;隧道模型的第一卓越频率与EL波的卓越频率较为接近,其共振效应使得EL波激励引起的高程效应明显大于其他地震波。靠山侧衬砌结构所承担的地震动附加压力显著大于临空侧,且在大振幅激励下,其拱腰所承担的地震动附加压力反而大于拱脚。隧道衬砌结构的扁平率和几何曲率,对其动应力峰值的分布均有显著影响,尤其是在大振幅激励下,靠山侧拱脚处的动应力峰值显著大于其他部位。衬砌结构的裂缝发展形态特征,与接触压力峰值及动应力峰值沿衬砌环向分布的规律是相一致的。上述成果为浅埋偏压条件下特大断面隧道抗震设防提供了参考。     

基于重力加载比例法的岩质边坡稳定性分析

根据岩质边坡的稳定性主要由边坡内部的结构面所控制的特点,采用有限元重力加载比例法对含有一组平行节理面和含两组节理面的岩质边坡进行数值模拟,分析表明:与强度折减法相比,采用有限元重力加载比例法能更加快速地计算出岩质边坡的安全系数,节省计算耗时和人工干预的工作量,并能通过塑性应变的发展分析其破坏过程,确定潜在的滑动面。