非线性破坏准则下深埋小净距隧道围岩压力研究

围岩压力大小是影响隧道稳定性的重要因素,也是进行合理支护设计与安全施工的前提。考虑围岩破坏的非线性特征,基于极限分析上限法推导深埋小净距隧道围岩压力公式,给出优化求解的过程,并与规范法进行验证对比,最后就相关影响因素做参数分析。结果表明：该方法与公路隧道设计规范的方法计算结果相对误差较小,且表现的规律一致,即两隧道内侧围岩压力大于外侧的围岩压力,也即中夹岩受力大,验证了本文计算方法的合理性;增大水平方向支护力,可有效减少隧道顶部的压力,提高隧道稳定性;竖向平均围岩压力随着净距的增大而增大,两者大致呈非线性相关的关系,增大幅度逐渐减小;围岩压力随着非线性Hoek-Brown准则中参数GSI、m_i、σ_ci增大而减小,所以对于软弱围岩,可以进行加固,改善自身力学性质,从而提高围岩自身承载力,减少隧道承受的围岩压力。     

基于局部强度阶梯折减法的边坡渐进破坏研究∗

通过强度折减法获取边坡的潜在滑裂带是目前数值计算广泛使用的方法,研究边坡滑裂带形成的渐进过程及坡体内部土体的应力状态具有重要的理论意义和工程价值。基于边坡破坏的渐进性思想,针对均质边坡提出了一种局部强度阶梯折减的方法。该方法以屈服接近度(YAI)作为判别土体是否存在破损区的评价标准,将局部破损区按不同破损次序分配予不同的折减系数,利用通用软件ABAQUS对局部坡体进行强度折减计算,研究边坡渐进变形过程,直至边坡发生整体破坏。计算结果表明,坡体内部初始破损区参与了潜在滑裂面的形成过程,对边坡后期渐进变形具有贡献;有效解决了传统强度折减法潜在滑裂面上折减区和非折减区边界处的塑性应变值的跳跃性问题,合理地演化了边坡的渐进失稳进程。     

大断面隧道软弱围岩-支护系统稳定性分析

采用室内试验研究手段获得隧道围岩力学特性,以Mohr-Coulomb弹塑性模型及应变软化模型为基础,采用FLAC3D数值模拟软件,构建三维数值模型,计算深埋隧道围岩特征曲线及纵剖面变形曲线,并对隧道围岩及支护结构安全性进行评价。结果表明:采用弹塑性模型计算所得的隧道围岩安全系数低于应变软化模型所得的安全系数,表明采用弹塑性模型进行支护结构设计时,支护结构安全性较低,设计中可能会增加支护材料费用,而考虑应变软化条件下的围岩安全系数更加接近于工程实际;采用极限应变值或支护结构极限承载压力所获得的围岩—支护系统安全系数较为接近,说明两种方法的差异较小,均可用于隧道围岩支护结构优化设计,采用收敛—约束法计算隧道安全稳定性更加直观,对工程实际具有一定指导作用。     

紧邻隧道条件下基坑开挖变形破坏模式分析

目前基坑开挖对邻近既有隧道的影响主要集中于隧道变形及应力的变化,对于紧邻隧道条件下基坑开挖的破坏模式以及机理仍缺乏较深入的理解。研究了不同隧道埋深、不同隧道与地连墙水平间距和不同地连墙埋置深度下,在紧邻隧道情况下基坑不同计算步的破坏模式,分析了变形破坏机理及易发生破坏的开挖步。研究结果表明,潜在破坏面可分为3种形式：直线形破坏面、圆弧形破坏面、U形破坏面;随着基坑的开挖以及内支撑的建设,剪切带逐渐变为绕地连墙墙趾的深层剪切带,与隧道的交叉部分从右侧肩部逐渐向下转移到右侧腰部或右下侧近腰部;基坑破坏易发生在开挖后未设置内支撑及开挖至坑底后设置内支撑的情况下。     

大断面隧道软弱围岩-支护系统稳定性分析北大核心CSCD

采用室内试验研究手段获得隧道围岩力学特性,以Mohr-Coulomb弹塑性模型及应变软化模型为基础,采用FLAC3D数值模拟软件,构建三维数值模型,计算深埋隧道围岩特征曲线及纵剖面变形曲线,并对隧道围岩及支护结构安全性进行评价。结果表明:采用弹塑性模型计算所得的隧道围岩安全系数低于应变软化模型所得的安全系数,表明采用弹塑性模型进行支护结构设计时,支护结构安全性较低,设计中可能会增加支护材料费用,而考虑应变软化条件下的围岩安全系数更加接近于工程实际;采用极限应变值或支护结构极限承载压力所获得的围岩—支护系统安全系数较为接近,说明两种方法的差异较小,均可用于隧道围岩支护结构优化设计,采用收敛—约束法计算隧道安全稳定性更加直观,对工程实际具有一定指导作用。     

不同变形失稳模式下隧道围岩稳定性判据研究的进展

计算机模拟隧道围岩失稳研究的困难在于失稳模型不清楚、失稳判据不明确。本文综合分析了目前国内外应用的隧道稳定性判别方法,总结了不同变形失稳机制下的计算模型及其量化的破坏判据,分析了各种方法的研究进展和存在局限,为围岩稳定性数值模拟提供快速、合理、可操作的判据。     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值(计算得到的泊松比)。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力—侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加载阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0.5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

高地应力下深部硐室底鼓破坏围岩稳定性分析∗

为研究西部山区高地应力作用下深部硐室的稳定性问题,根据普氏压力拱理论,综合考虑深部硐室冒顶,片帮以及底鼓破坏,建立了高地应力下深部硐室底鼓破坏模式,基于极限分析上限法和非线性 Hoek?Brown 破坏准则,推导了该破坏模式下深部硐室的围岩压力理论公式,求解了该破坏模式下深部硐室围岩压力上限解,并将本文结果与数值模拟和已有成果进行对比分析。此外,通过该破坏模式研究了各参数对围岩压力和潜在破坏面的影响。结果表明：（1）随着初始地应力场参数中 σ_V和 λ 增大,深部地下硐室围岩压力 q 逐渐增大,硐室围岩潜在破坏面逐渐增大,其中 σ_V表现尤为显著;（2） Hoek?Brown 破坏准则参数中 GSI、σ_ci和 m_i的增大对深部硐室围岩稳定性有明显的提高效应,而 D 增加则会降低硐室围岩的稳定性;（3）随着底部压力相关系数 μ 增加,深部地下硐室顶板和两帮的围岩压力表现为减小的趋势。研究成果可为深部硐室的支护设计提拱有效的理论支撑。     

软岩隧道围岩变形季节性特征与防控措施研究∗

以香丽高速洼里别隧道为依托,通过隧道围岩变形监测结果,分析了炭质板岩隧道围岩变形与季节性降雨之间的关系,研究了围岩旱季和雨季隧道施工围岩变形差异的原因,提出隧道围岩大变形防控措施.结果 表明,受季节性降雨的影响,洼里别隧道围岩变形呈现出一定的季节性特征,较于旱季时期,雨季施工时围岩变形呈现出变形量大且变形速率快的特点;围岩大变形因围岩条件、地下水及施工原因共同影响产生,而炭质板岩的软化性、崩解性及其岩层倾角是引发围岩大变形的内因,地下水则是造成围岩变形呈现出季节性特征的主要原因.最后,基于三个主要影响因素,提出适用于洼里别隧道的围岩变形防控措施,采用控制措施后,现场施工效果良好.     

黏土半巷道围岩模型过巷道轴线平面破坏过程实验观测∗

为了观测过巷道轴线平面上应变局部化带及裂纹的发展演化规律,开展了黏土半巷道围岩模型三轴压缩实验研究。半巷道围岩模型的观测表面处于平面应变状态,且分步开挖巷道。在每次巷道开挖之前,对半巷道围岩模型卸荷。每次巷道开挖之后,再对半巷道围岩模型加荷。采用数字图像相关方法观测了观测表面的最大剪切应变场,并统计了裂纹面积百分比随纵向应变的演化规律。得到以下结论:当纵向应变较高时,在半巷道围岩模型的观测表面上,出现了由巷道两帮或两帮与掌子面交点处发展出的应变局部化带;另外,还出现了距离巷道表面较远的应变局部化带。由此可以推出,垂直于巷道轴线平面上将会出现分区破裂化。裂纹面积百分比随纵向应变的增加而增加;随着阈值(可识别的裂纹面积的最小值)的增加,裂纹面积百分比降低,但降低的速度越来越慢。剪裂纹主要位于巷道的两帮;拉裂纹遍布各处,呈现一定的等间距性。     

隧道-滑坡平行体系时间效应演化及变形破坏试验研究∗

通过4组隧道-滑坡平行体系模型试验,研究在不同工况下隧道-滑坡相互作用下的时间效应和变形破坏模式。结果表明:(1)隧道-滑坡平行体系单滑面情况滑坡推力在滑体内产生一种应力临界状态,该应力临界状态是处于拉、压应力变化过渡的一种状态,有一个时间传递变化的过程,即时间效应。(2)桥隧搭接桩基础支撑结构较无支撑结构会加速应力临界过渡状态的时间效应。(3)滑坡体内的滑坡推力,最先引起滑带位置附近的土体达到应力临界过渡状态,随着时间的推移,这种临界状态逐步由滑坡体后缘向前缘移动,滑坡破坏面上的每一点的时间与应变关系均会呈现不同的"S"型曲线特征,对于整个滑体而言,滑面上每一点的时间与应变关系曲线,在不同时刻呈现不同的线型特征。(4)桥隧搭接桩基础支撑结构较无支撑结构会延缓隧道模型的破坏,使得破坏断裂面向基岩内部延伸,且作用效果显著,但隧道模型整体的破坏处于基岩内。     

岩土破坏过程声发射特征的实验研究

通过对重庆黄泥包滑坡处采集的岩土试样进行单轴压缩和拉伸实验,测试了岩土破坏过程的声发射信号,得出了岩土破坏过程声发射的基本特征:在单轴压缩实验中,声发射能量信号随着压力的增加呈现连续增加的趋势,在主破裂时刻有较强声发射能量信号产生;在蠕变实验中,AE在压力上升阶段信号增强,在恒定压力下,AE信号有所减弱,整体趋势较为平缓;在拉伸实验中,岩土的破坏方式呈主震型和群震型;AE信号能够反映岩土受载过程;岩土的抗压强度与声发射能量最大值呈正相关性;加载速率越大,声发射能量最大值也越大。     

基于BOTDA的削坡作用下边坡破坏过程模型试验研究∗

在众多诱发滑坡的因素中,人工削坡引发的边坡失稳现象十分普遍。采用布里渊光时域分析技术(以下简称BOTDA 技术),通过模型试验和数值模拟分析,对削坡作用下的边坡变形机理及其演化过程进行了研究。由于传感光缆与土体之间的耦合性直接影响着监测结果的准确性,首先通过不同围压作用下的拉拔试验,掌握了传感光缆与土体耦合变形关系。然后,设计了坡顶加载试验模型,通过在水平向和竖直向植入传感光缆,实现对边坡模型在削坡作用下土体内部变形场的分布式监测。试验结果表明:水平和竖直向传感光缆监测到的应变异常区域与潜在滑动面位置相吻合,并被数值模拟所证实;在 BOTDA 监测数据的基础上提出了边坡模型水平特征最大应变值与安全系数之间的经验公式,对削坡作用下的边坡稳定性状态进行了评价,进而可对边坡失稳做出预警。     

地震动作用下隧道洞口段破坏特征试验研究∗

为研究山岭隧道洞口段在地震动力作用下对边坡变形特征及其二者之间的相互影响,以宝兰客专某黄土隧道为工程背景,开展了大比例尺的黄土隧道洞口段大型振动台模型试验,输入不同类型的地震动参数,分析在地震动力作用下黄土隧道洞口段的动力响应及变形破坏特征。结果表明：(1)随着地震动强度的增大,模型表观和内部经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段;(2)阿里亚斯强度(Arias Intensity)的水平与垂直分量的放大系数云图呈现颜色区域互补状态,能量衰减区集中在洞口拱顶附近的围岩,仰拱底部 1~4.50 倍洞径和拱顶 2.50~4 倍洞径围岩范围则为能量加强区;(3)不同地震波形、相同加载方向,加速度水平、垂直分量的峰值连线线形相似,个别测点的加速度峰值突出到线形之外,峰值出现时刻明显提前或滞后,说明围岩发生较大的塑性变形或破坏;(4)单向加载时,拱顶、仰拱底部围岩沿隧道进深方向的加速度放大效应基本一样,沿垂直方向的放大系数连线的台阶式变化更为明显。双向耦合加载时,拱顶、仰拱底部围岩的放大系数连线的台阶式变化都较为明显。     

基于波动理论的压电智能混凝土单轴破坏实验研究

通过在混凝土标准试块内埋置压电驱动器和传感器,以波动理论为基础,通过混凝土内发射和接收应力波,构筑压电智能混凝土的主动健康监测系统,并进行了压电智能混凝土标准试件单轴破坏实验,得到剪切波速、相对能量衰减和频域特性随破坏程度的变化。实验结果表明,在一定范围的频率下,剪切波速在临近极限荷载的区域,衰减速率有所增加;而相对能量衰减,在"局部裂纹萌生"阶段,衰减速率便增加。因此,相对能量衰减在混凝土破坏的初期阶段,更具有敏感性。     

冲击载荷下叠合岩层巷道围岩的应力演化数值模拟研究——基于岩层运动并行计算系统StrataKing∗

煤系地层属于典型的层状沉积岩层,这在传统连续介质模型中不能被较好反映。为了探究冲击载荷下叠合岩层巷道围岩的应力演化规律,采用以拉格朗日元与离散元耦合连续?非连续方法为基础发展的岩层运动并行计算系统 StrataKing,基于理想化模型分析了巷道上表面附近应力波的叠加。阐明了应力波叠加导致顶板开裂机理,并且探讨了冲击载荷幅值的影响规律。研究发现：在原始压应力波传至巷道上表面附近测点后,该测点的最大主应力刚开始呈下降?上升?下降的变化趋势,这是由原始压、拉应力波不同时刻的叠加不同导致的;由于次级应力波的波长较原始应力波的小,次级压、拉应力波的单独作用更明显,它们的叠加使巷道上表面附近测点能产生更低和更高的最大主应力,甚至导致顶板开裂;冲击载荷幅值越大,近似阶梯增长阶段中拉裂纹平均发展速度越快,巷道围岩最终开裂范围越大,巷道围岩平衡越困难。     

降雨作用下浅层碎石土滑坡解体破坏机理研究

为了揭示浅层碎石土滑坡的变形解体破坏机理,通过资料搜集整理与分析、现场工程地质调查与勘探和室内外的物理力学试验,采用数理统计分析方法、不平衡推力法和不分离接触弹塑性有限元强度折减法,获得了滑坡的整体稳定性系数;运用碎石土边坡地下水管网状排泄系统的理论,分析了该类型滑坡的变形解体破坏过程,揭示了强降雨作用下浅层碎石土滑坡变形解体破坏的主要机理和一般的力学机理。结果表明,浅层碎石土滑坡的解体破坏过程中,滑体位移、滑体沿滑面滑动状态和塑性应变的发展以及滑面上摩擦应力的发挥程度是不一致的;强降雨是浅层碎石土滑坡体发生失稳的主要触发因素;采用弹塑性接触有限元算法可以更好地反映该类型滑坡在降雨作用下所处的实际状态及滑坡的滑动过程,为该类型滑坡稳定性的准确评价和预测预报提供可资借鉴的方法。