隧道施工下地表沉降变形对围岩参数的敏感性分析

基于正交试验设计和敏感性分析原理,探讨了地表沉降对围岩参数的敏感性,及其影响性态。结果表明：探明了变形对弹性模量最敏感,其次是摩擦角和粘聚力,而对泊松比最不敏感;地表沉降随弹性模量、粘聚力、摩擦角的提高而减小,表明这些参数提高到一定的程度后,对减小地表最大沉降的作用越来越小;地表沉降随泊松比的提高而变化很小。从而,在软弱地层进行围岩的加固措施是经济合理的,而在条件很好的硬岩中再进行围岩加固则显得不经济。     

弱胶结软岩巷道稳定性影响因素数值模拟研究

为研究影响弱胶结软岩巷道围岩稳定性的因素,以宁夏榆树井煤矿11801工作面顺槽为工程背景,采用FLAC3D程序,对弹性模量、内摩擦角、粘聚力、地应力、侧压系数及支护阻力对围岩位移的影响规律进行数值模拟。研究表明:弹性模量和粘聚力的变化对巷道围岩变形量的改变有显著的影响,而内摩擦角的影响与前两者相比较小,且一定范围内,弹性模量和粘聚力的变化对巷道顶底板收敛量的影响大于对两帮收敛量的影响,而内摩擦角的变化致使巷道四周围岩变形非对称的特征不明显;垂直应力和侧压系数的改变对顶底板围岩位移量的影响较大,对两帮的影响相对较小,侧压系数的大小是影响围岩变形的关键;较高的支护阻力能够迅速降低围岩的变形量,尤其是顶底板的位移量。研究成果可为巷道支护设计,围岩控制等工程实践提供依据。     

矿物成分强度对岩石单轴抗压强度的影响

利用FLAC3D数值模拟软件,构建了岩石单轴抗压强度试验数值模型。分析研究了矿物弹性模量E、泊松比ν、黏聚力c、摩擦角φ、剪胀角ψ以及加载速率V等对于岩石单轴抗压强度的影响规律。结果表明:岩石单轴抗压强度与弹性模量之间表现出较为明显的线性关系,即岩体中含有硬度较大矿物成分时,岩体强度呈增加趋势。泊松比增加岩石强度亦出现一定程度的增大,之间呈现指数函数关系。岩石所含矿物黏聚力、摩擦角升高,岩石单轴抗压强度升高。单轴抗压强度与黏聚力、摩擦角之间成多项式关系。岩石单轴抗压强度随剪胀角增加而增加,并成多项式关系。相较于摩擦角而言,摩擦角对于岩石单轴抗压强度的影响更大。UCS与加载速率之间近似呈直线关系。     

基于应变软化的岩石三轴抗压强度数值试验研究

利用FLAC3D数值模拟软件,构建了岩石三轴抗压强度试验数值模型。基于应变软化模型,分析研究了矿物弹性模量E、泊松比ν、粘聚力c、摩擦角φ、剪胀角ψ以及加载速率V等对于岩石峰值抗压强度的影响规律。结果表明:(1)初始加压阶段,岩石试件基本无声发射现象的产生;达到峰值强度前,迅速出现声发射现象,声发射次数突然增加,并逐渐至最高值;峰值强度后,基本无声发射产生;(2)三轴压缩试验试件破坏模式主要有单一贯穿性剪切破坏面、四周崩坍性张拉破坏面、X型剪切破坏面。对于不同围压情况,破坏面形态略有变化,但破坏以上述三种为主;(3)随着矿物颗粒弹性模量、加载速率的增加,峰值抗压强度逐渐增加,之间表现出较为明显的多项式函数关系;同时,峰值抗压强度随矿物粘聚力、摩擦角、剪胀角、侧限围压量值的升高而升高,各自之间成较为明显的线性函数关系;(4)岩石矿物泊松比大小变化与试件峰值强度间无较为明显的线性或非线性关系,即泊松比变化对于岩石峰值强度的影响较为复杂。     

高速铁路隧道围岩纵向变形曲线研究

隧道开挖过程中开挖面具有空间约束效应,纵向变形曲线(LDP)是这一空间效应的直观反映.目前,采用数值拟合方法进行LDP的研究主要集中于拟合形式、影响因素等方面,且大多是基于圆形隧道展开,并未考虑断面形式造成的影响.为此,本文总结具有代表性的纵向变形曲线公式,对其适用范围及特点进行比较,研究VD公式在高速铁路隧道下的适用性.结果表明:利用高铁隧道断面进行数值计算时,隧道半径建议采用等效半径;最大塑性区半径建议统一采用拱顶位置塑性区半径;采用与圆形隧道下相同形式的公式可以取得良好的拟合效果,具体表现为隧道前方LDP公式一致,掌子面处变形释放系数公式和隧道后方LDP公式拟合参数不同但差别不大.     

含水率对土体力学参数的影响

采用试验手段研究了含水率变化对不同土体(黏土、粉土和砂土)内摩擦角和粘聚力的影响﹒研究结果表明,土体的粘聚力随着含水率的增大而明显减小,其中黏土在20%含水率以上时粘聚力下降速度很快,而在20%以下时,下降速度变缓;粉土含水率超过21%时,其粘聚力下降趋势迅速变快,并且随着含水率的增长而增长﹒含水率变化对摩擦角的影响极小,含水率的增加对于不同土样其摩擦角均没有太大幅度的下降,因而在现实应用中可以忽略含水率对摩擦角的影响﹒     

含水量对府谷煤煤粉流动特性的影响

借用Jenike剪切测试系统和Freeman的FT4多功能粉末流动性测试仪,研究了水分含量对府谷煤粉流动性的影响,获得了煤粉的流动函数、内摩擦角、粘聚力、壁摩擦角、压缩率、透气性和流动能等一系列流动参数。研究结果表明:水分含量为3%~4%(质量分数)时煤粉流动函数较大、流动性较好、透气性好、没有粘聚现象而内摩擦角较大;水分含量在5%左右时,煤粉流动性差、粘聚力较大、壁摩擦角较大、透气性好;水分含量在7%左右时,煤粉流动性变好、粘聚力较小、壁摩擦角较小、压缩率有利于煤粉流动、但是透气性较差;当水分含量大于9%时、煤粉团聚严重、不利于煤粉流动。研究还发现,铝合金的壁摩擦角最小,适合做煤粉仓的内衬。     

泾阳黄土抗剪强度的环剪试验研究

以泾阳滑带土为研究对象,采用HJ-1型环剪仪对泾阳县的重塑黄土进行了单级环剪试验,研究了不同含水率,干密度,剪切速度下重塑黄土在较大剪切位移下的强度变化规律。研究表明:土体应力-应变曲线呈软化现象;粘聚力和内摩擦角均随含水率的增加而降低;剪切速度越大的其达到峰值强度所需的剪切位移越小,粘聚力越大,但其对内摩擦角影响不显著;干密度与峰值强度呈正相关关系,对残余强度的影响不明显。脆性指数随含水率和剪切速率的增大而减小。     

基于收敛-约束法的软岩隧道初支时机估算——以义永公路枫坑隧道为例

围岩纵向变形曲线能直观、有效地反映隧道开挖过程中洞壁围岩变形受掌子面前端“空间效应”的影响,为支护结构施作的最佳时机提供理论依据。以某软岩大断面隧道为例,基于Unlu和Gercek推导围岩纵向变形曲线方程（位移释放系数）,在综合考虑泊松比和弹性模量以及粘聚力、内摩擦角、爆破参数等提出优化改进;运用FLAC3D分析改进围岩纵向变形曲线方程的合理性和有效性。结果表明:（1）围岩纵向变形曲线方程与弹性模量以及粘聚力、内摩擦角呈非线性正比关系,与爆破参数呈非线性反比关系;（2）对比现场监测数据与理论计算数据发现Unlu和Gercek推导围岩纵向变形曲线方程在x>=0段偏差较大,提出增加“扩大收敛函数”提高其精度,相关系数由原来的R-square=0.8左右,提高到R-square=0.95左右;（3）通过与数值模拟数据对比,改进后的围岩纵向变形曲线方程能更好的与其相吻合,证实了改进后的围岩纵向变形曲线方程更具有合理性和实用性;（4）提出围岩位移增量出现陡增点时的位移释放系数值为施加支护的最佳时机,得出Ⅲ级围岩在长台阶法施工施作时,距掌子面x=2.24m左右处开始施作支护为最佳,Ⅳ级围岩在采用CRD工法施作时,距掌子面x=1.47m左右处开始施作支护为最佳。     

软弱地基参数对隧道施工稳定性的影响研究

为探明软弱地基参数对隧道施工稳定性的影响程度,以青海某高速公路隧道洞口段为研究对象,采用FLAC3D建立多组数值模型,进行隧道施工数值模拟。详细讨论了软弱地基厚度、弹性模量、粘聚力和内内摩擦角对隧道稳定性的影响。结果表明:软弱地基厚度和弹性模量对围岩变形、塑性区和支护结构应力影响最大,是影响隧道施工稳定性的主要因素;粘聚力和内内摩擦角对围岩变形和支护结构应力影响不大,对围岩塑性区有一定的影响,且内摩擦角影响程度大于粘聚力。研究结论可为软弱地基隧道设计和施工提供参考。     

软弱围岩下浅埋隧道稳定性的能量分析

基于能量的角度,采用极限分析理论中的上限定理对软弱围岩下浅埋隧道的稳定性进行分析,得到了围岩压力的理论公式。研究表明:埋深、土体容重越大及黏聚力、内摩擦角越小,浅埋隧道的围岩压力越大,破坏范围也越大;当埋深较大、围岩较好时,浅埋隧道由于自稳能力有可能不会发生破坏,而对于比较差的围岩,在施工过程中应采取更为安全可靠的支护措施,以防止发生垮塌破坏。     

考虑桩底沉渣的基桩竖向承载力目标可靠度

桩底沉渣厚度超过一定数值后,会影响基桩尤其是端承桩桩端阻力的发挥,进而对承载力可靠度指标和目标可靠度指标造成不利影响。本文利用全概率计算公式推导出考虑沉渣桩的竖向承载力可靠度指标计算公式,并利用可靠度理论和数理统计方法给出了计算公式中每个参数的计算方法。在此基础上,推到出考虑沉渣桩的承载力目标可靠度指标计算公式。通过实例分析了不同沉渣参数(厚度、压缩模量、粘聚力、内摩擦角和泊松比)条件下,竖向承载力可靠度指标的变化规律。研究了沉渣桩出现概率对考虑沉渣桩的承载力可靠度指标和目标可靠度指标的影响规律。研究表明：沉渣的存在大大降低了沉渣桩的竖向承载力可靠度指标;沉渣厚度和压缩模量对可靠度指标有显著影响,粘聚力、摩擦角和泊松比对可靠度指标影响很小。沉渣桩的出现概率对考虑沉渣桩的承载力可靠度指标和目标可靠度指标有显著影响,尤其当概率值较大时,基础会出现一定的安全隐患。     

粒度、湿含量对神府烟煤煤粉流动性参数的影响

以神府烟煤煤粉为研究对象,对其粒度、湿含量、松动密度、振实密度、休止角、内摩擦角、碳钢壁摩擦角、有机玻璃壁摩擦角、粘聚力进行全面测试分析.在此基础上,通过Hausner指数、流动函数FF和质量流率,重点研究了煤粉粒度、湿含量对其压缩性、摩擦性和流动性的影响.结果发现:粒度越小、粒度分布越广、湿含量越大,煤粉的压缩性和摩擦性越大,其流动性越差.研究还表明,神府煤煤粉的Hausner指数在1.2～2.0之间,休止角大于内摩擦角,具有团聚性,属于粘聚性粉体.     

土石堆积体介质力学特性缩尺试验研究

堆积体是由土-石构成的一种不良地质体,其力学特性受块石尺寸、形状、含石率决定的细观结构特征控制.本文通过现场堆积体取样,筛分并配置不同的试验方案,利用室内中型三轴试验研究了含石量、碎石尺寸以及碎石随机位置等对堆积体力学参数与变形特性的影响,得到了不同影响因素下堆积体的应力-应变关系、黏聚力以及内摩擦角变化特征.研究结果表明:堆积体应力-应变关系曲线近似为双曲线,无明显强度峰值,为硬化型曲线;随着碎石尺寸的减小,黏聚力先增大而后减小,但是摩擦角先减小后增大.弹性模量随碎石尺寸增大逐渐增大,泊松比基本保持不变;相同条件下碎石随机位置可导致摩擦角有4°左右的浮动,而黏聚力变化幅度可相差几倍.     

围岩收敛曲线形态对地下结构稳定系数影响分析

针对现代地下支护结构设计方法中缺乏物理意义明确的稳定性表征指标这一不完善之处,结合收敛-约束原理来开展研究.首先,通过选取基于Mohr-Coulomb失效准则的Kastner公式和Duncan公式进行围岩弹塑性分析从而构建围岩收敛曲线;分析各支护单元的力学特性并构建锚喷支护结构支护特征曲线;然后,根据收敛-约束原理和荷载原理导出支护结构的稳定系数,从而建立不同围岩收敛曲线的地下结构稳定性定量评价方法;最后,在各岩体力学参数相似的条件下,通过算例分析不同围岩收敛曲线之间的差异性,展示了不同模式的操作和运行过程.     

非圆形隧洞收敛-约束特征曲线的数值求解方法

利用应力释放法原理,在收敛-约束解析法基础上,提出了适合任意断面隧洞的收敛-约束特征曲线数值求解方法,通过与收敛-约束解析法对比验证该方法的有效性,并与常用的数值方法进行对比,最后对收敛-约束特征曲线数值求解方法的计算误差进行分析.研究结果表明:收敛-约束特征曲线数值求解方法适合非圆形隧洞,由于通过施加节点支撑反力实现应力释放,该方法同样适合应力状态复杂的隧洞;以滇中引水工程为例,将收敛-约束特征曲线数值求解方法与收敛-约束解析法的计算结果进行对比,验证了收敛-约束特征曲线数值求解方法的有效性;收敛-约束特征曲线数值求解方法计算结果存在一定的误差,其整体相对误差小于10%.收敛-约束特征曲线数值求解方法的适用性更加广泛,可为隧洞工程的初期支护优化设计及安全性评价提供参考,具有一定的工程应用价值.     

基于最小安全系数法对隧道围岩稳定性分析

隧道围岩稳定性一直是隧道施工控制的重点,本文采用最小安全系数法对隧道围岩稳定性计算进行了研究.基于随机场理论,考虑第二主应力对隧道围岩稳定性影响,结合最小安全系数法,分析隧道围岩稳定;隧道围岩存在不连续面,其参数存在变异,假设围岩的粘聚力和摩擦角服从正态分布,以参数的均值、方差和空间相关性表征,分析了隧道围岩在变异力学参数下的稳定情况.结果表明:隧道的最小安全系数在内摩擦角发生变化时,其失效概率也是变化的,即围岩稳定性是发生变化的.     

基于正交设计的Ⅳ,Ⅴ级围岩相似材料

为配制满足地质力学模型试验分析的Ⅳ,Ⅴ级围岩相似材料,基于正交设计法,使用水、石英砂、粘土、石膏和洗衣液这5种原材料,配制成9组混合材料。以围岩的重度γ、粘聚力c以及内摩擦角φ作为相似材料参照指标,通过直径、高度测量,称重及三轴压缩试验获得了混合材料的试验数据。将原始数据整理后,通过极差分析方法讨论了原材料各因素对相似材料特性的影响。然后调整材料配制比开展重复试验,并进行回归分析。试验结果表明,配制材料的粘聚力、内摩擦角、重度试验值基本覆盖相似材料指标的要求范围;洗衣液对相似材料粘聚力影响最大,而石膏的影响最小;洗衣液对内摩擦角的影响显著,之后依次是石膏、洗衣液和水;对材料的重度影响最大的是土砂比,其次分别为水和石膏,而洗衣液的影响甚微;重复试验配制成的材料符合Ⅳ,Ⅴ级围岩相似材料指标要求;回归分析得到了相似材料配制经验方程。     

库水位骤降联合降雨边坡稳定敏感性分析

介绍了区间敏感性理论的分析步骤,利用Geo-studio软件,对三峡库区某边坡体在库水位联合降雨工况下不同边坡参数下边坡的位移及安全系数进行了有限元计算,结果表明:利用区间敏感性理论对边坡不同参数取值进行敏感性分析,能够快速的获得边坡各个物理力学参数对边坡变形及稳定性的影响大小,与已有研究成果一致,可以指导由于边坡物理力学参数的空间变异性导致的数值模拟中材料参数的取值问题;库水位骤降联合降雨条件下,弹性模量与渗透系数对上部监测点的位移影响最大,但是粘聚力、内摩擦角及泊松比对各个工况的影响差异则不大;不同影响因素的敏感性顺序为弹性模量、渗透系数、泊松比、粘聚力与内摩擦角.     

花岗岩残积土抗剪强度及其影响因素试验

为了分析花岗岩残积土路堤边坡水毁的主要内在因素,依托广佛肇高速公路路堤边坡修筑,以该地区花岗岩残积土为研究对象,通过室内颗粒分析试验和直接剪切试验,在不同初始干密度条件下进行了一系列重塑花岗岩残积土的抗剪强度试验研究。试验结果表明,在一般情况下,随着初始干密度的增大,花岗岩残积土的摩擦角变化范围很小,而粘聚力值随着干密度的增大而增大,其中,粗粒土成分对摩擦角的影响较大,细粒土成分对粘聚力的影响较大。分析了剪应力-剪切位移曲线与初始干密度、颗粒成分之间的关系,并归纳了花岗岩残积土在不同垂直压力、不同初始干密度、不同颗粒成分下对抗剪强度指标的影响,试验得到的有效抗剪强度指标c′,φ′值可为路堤边坡的合理设计提供参考依据。