中低应变加载速率下单节理裂隙岩体的单轴动态压缩力学性能试验

对人工制作的节理岩体试件进行了中低应变加载速率下的单轴压缩试验,研究了应变速率和节理面的倾角β对节理岩体的极限抗压强度、峰值应变、弹性模量和损伤变量的影响。研究结果表明:(1)当加载的应变速率相同时,当节理面的倾角β由0°增加到90°,试件的抗压强度呈逐渐减小后又逐渐增加的趋势,试件的峰值应变均呈先减小后略有增加的变化规律,试件的弹性模量整体出现逐渐增加的变化规律。(2)当试件的节理面倾角相同时,随着应变加载速率逐渐增加,试件的抗压强度呈逐渐增加的趋势,当β为60°时,试件的抗压强度对应变率敏感性最强,试件的峰值应变和弹性模量随应变加载速率的变化并没有固定明显的变化规律。(3)当应变加载速率相同且应变相同时,随着节理面的倾角由0°增加到90°,损伤变量基本都呈先逐渐增加后减小的趋势,当节理面的倾角为60°时的损伤变量最高,当节理面倾角为90°时的损伤变量最小;当试件的节理面倾角相同,应变加载速率逐渐增加时,损伤变量基本呈逐渐增加的趋势。     

铁路标准断面隧道节理倾角效应研究

以郑万铁路黄家沟隧道标准断面为研究对象,对不同产状岩质隧道进行稳定性分析,研究围岩力学响应、变形特性以及锚杆力学特征,阐明不同于传统松散介质的层状岩质隧道失稳模式及锚杆支护要点。结果表明:节理面极大削弱了岩体稳定性,开挖会引起沿层理面滑动,导致明显地质偏压。隧道开挖使得层间节理首先被破坏,节理离层区不是发生在最大主应力方向上,而是发生在节理垂直方向。水平层状或倾角较小时,顶部和仰拱节理之间产生离层区,易引起岩层弯折破坏;随着倾角增大,顺弱势节理面滑动趋势增大,破坏主要取决于节理面强度和层状节理之间滑移;当倾角为75°～90°时,破坏主要为边墙岩块弯曲压溃;竖向节理时,中间垂直土体挟持作用减弱,易剪切破坏失稳引起冒顶坍方趋势。从群锚效应来看,锚杆与滑移面夹角大于23°时,锚杆支护效果发挥较为明显的效果。     

节理倾角及组数对铁路隧道围岩稳定性的影响

我国西南地区崇山峻岭、地质构造条件复杂多变,岩体内部节理、片理、层理发育。隧道穿越节理发育围岩时,极易引发围岩大变形、掌子面失稳坍塌、钢架变形扭曲、初支掉块和二次衬砌开裂等工程灾害。为了分析节理对隧道围岩稳定性的影响规律,依托玉磨铁路西双版纳隧道,利用ABAQUS建立计算分析模型,得到不同节理条件下围岩塑性破坏特征。(1)节理对称分布时,节理屈服、围岩塑性应变呈现出对称分布于拱部、两侧拱肩和仰拱两侧区域的特点。(2)节理倾角较陡时,岩体性质是影响主控因素;节理倾角较平缓时,围岩发生沿节理面的剪切滑移破坏,节理是围岩整体发生塑性破坏的主控因素;当节理倾角为60°或120°时,围岩的塑性应变最大,最大塑性应变为0.197。(3)当节理倾角为90°时,围岩及节理屈服区域主要沿着节理方向垂向分布,且影响范围深入地层中。(4)2组节理条件下造成围岩塑性破坏的主要原因是节理面的塑性屈服;当节理倾角组合为60°+90°时,围岩的塑性应变最大,最大塑性应变为0.521。     

单向非贯通节理岩体滚刀破岩 特性离散元模拟

相较于贯通节理,岩桥的存在使非贯通节理岩体受力破坏过程更加复杂。为探明其对破岩影响,通过采 用 PFC2D建立单向非贯通节理岩体滚刀破岩离散元模型,研究岩桥长度和倾角对岩体破碎模式、法向力、裂纹数 量及比能耗等参数的影响,揭示非贯通节理岩体滚刀破岩特性。研究发现：岩体以张拉破坏为主,节理对裂 纹扩展的“导向作用”明显,裂纹扩展方向总是趋向于和其距离最近的节理;竖向应力水平随节理倾角增加呈现 先增大后减小的趋势,在 45°倾角下达到最大值,应力区形状受到节理位置影响,两者具有一致性;完整岩体法 向力均值和峰值均大于节理岩体,节理对于破岩过程具有明显的促进作用;0°、60°、90°节理倾角下的比能耗值 明显低于其他节理组合,60°倾角下呈减小趋势,在岩桥长度为 25 mm 时取得最小值;0°、90°倾角下呈先减小后 增大趋势,在岩桥长度为 15 mm 时取得最小值。     

基于遍布节理模型的顺层边坡稳定性影响因素分析

在应力作用下,层状岩体表现出相对于均质各向同性的岩体更为复杂的力学行为,针对该种岩层采用目前广泛使用的各向同性本构模型在受力行为及变形破坏的机理上会造成较大的误差,以成都至兰州高速铁路某隧道洞口段边坡工程为研究背景,采用FLAC~(3D)自带遍布节理模型(ubiquitous-joint模型)描述层状岩体的各向异性特征,对岩体及节理面的稳定性影响参数进行强度折减并分析其与边坡安全系数的关系。结果表明:边坡的整体安全系数F随节理面倾角呈先减小后增大再减小的趋势;岩体与节理面的黏聚力、内摩擦角的相对值大小影响边坡安全系数的变化规律,而与绝对值大小无关,并且均在安全系数最低的30°倾角表现更高的敏感性,层状岩体的剪胀性对边坡安全系数的影响与节理模型的范围和岩体与节理面的内摩擦角相对值有关。     

采用光滑节理模型的单节理岩体数值试验

基于光滑节理模型,用颗粒流程序对完整岩石和单节理岩体进行数值试验。光滑节理模型的选用避免了标准接触模型中节理面颗粒间的"颠簸"效应。数值模型中选取的细观参数与室内试验获得的岩样宏观参数一致。数值试验与室内试验分析结果表明,节理面的存在降低了岩石的抗压强度;岩体的抗压强度随着节理倾角的改变而改变,随着节理倾角的增大,岩体的强度先降低随后增大;当节理面与潜在破坏面的方向相近时,岩体受压破坏沿节理面发生,当节理面倾角θp=45°+φs/2时,岩体强度下降得最多。随着围压的增大,节理岩体的强度显著提高。数值试验与室内试验结果对比表明,基于光滑节理模型的数值试验结果较为可靠,可以进一步推广应用于等效岩体分析。     

不同坡度下TBM隧道施工对围岩及地表影响分析

TBM 在迎坡向上掘进时,随着坡度的增大,掘进机与接触岩土体间摩擦力增大,且掘进力的竖向分力增大,会对 TBM 隧道周围围岩体的应力、变形以及地表沉降产生一定的影响,因此研究大纵坡 TBM 施工时坡度对围岩及地表的影响具有重要意义。以重庆市轨道交通 9 号线刘家台—鲤鱼池区间双线隧道施工为例,基于力学平衡公式以及有限元模拟,将纵坡坡度设定为参数变量,分析 TBM 迎坡掘进不同坡度时对隧道周边地层稳定性的影响;探究 TBM 在不同坡度隧道开挖时引起的围岩应力变化规律,以及围岩竖向、横向变形和地表沉降规律,进而得到控制 TBM 迎坡掘进的安全措施。该研究成果可为大纵坡 TBM 施工安全提供可靠依据。     

隧洞开挖后渗流量影响因素分析

当隧洞穿越高富水地质环境时,在开挖过程中容易产生渗水现象,从而给隧洞的开挖和支护带来不利影响。本文以木里水电工程输水隧洞为例,用离散单元模拟围岩及节理,采用UDEC软件进行数值分析,研究节理倾角、节理间距和洞室埋深对隧洞开挖后渗流量的影响,并对隧洞开挖前后孔隙水压力进行了分析。研究结果表明:在单组平行节理条件下,节理倾角、节理间距和洞室埋深对隧洞开挖后的渗流量都有较大影响;当节理倾角较小时,隧洞洞周渗流受节理倾角的影响不是很明显,当节理倾角超过30°时,洞周渗流量随节理倾角的增加而增加;当节理间距较小时,隧洞洞周渗流量随节理间距的增加呈近似线性增加,当节理间距超过1.5 m时,洞周渗流量基本保持不变;随着洞室埋深的不断增加,隧洞洞周渗流量也增加,当隧洞埋深达到一定值后,洞周渗流量增大的趋势变缓;节理倾角、节理间距及洞室埋深均通过改变开挖前后孔隙水压力差值影响隧洞渗流。     

TBM隧道施工诱发地下水环境负效应演化过程研究

TBM隧道穿越微风化凝灰岩、节理密集带及断层破碎带时,极易诱发隧道内涌水,造成地下水位下降、水资源流失、地表塌陷等问题。本文基于泄水孔+深孔联合泄水设计,研究适用于高水压环境下的新型联合泄水式管片。在此基础上,基于等效衬砌法,利用有限元软件系统分析TBM隧道掘进过程中孔隙水压力、开挖面涌水量及地下水位在超前注浆与未注浆两种工况下的演化特征,并使用数据分析软件对隧道总涌水量和地下水位降深关系进行拟合。结果表明：隧道超前注浆造成孔压比随地质岩层渗透系数增大而降低,并使渗流场影响高度和宽度得到有效控制;超前注浆导致隧道在施工过程中开挖面拱顶孔压比基本保持在同一水平直线上,有效降低总涌水量上升速率;地下水位降深随隧道掘进距离增大而增大,且地下水位降深与掘进距离之间呈线性正相关。研究结果可为TBM隧道穿越不良地层诱发地下水环境负效应问题的处置提供技术支持。     

基于摩尔-库仑准则的双护盾TBM掘进参数研究

研究目的:青岛地铁在国内首次将双护盾TBM应用于城市轨道交通工程,并取得成功,拓宽了双护盾TBM的应用领域。本文结合双护盾TBM在青岛地铁2号线的应用,基于Mohr-Coulomb准则,根据双护盾TBM正常掘进情况下的刀盘推力、撑靴撑力、围岩强度之间需要满足的力学协调性,针对不同围岩级别,对双护盾TBM施工中掘进参数及模式选择进行研究,从而为双护盾TBM选型及适应性分析提供依据。研究结论:(1)对于Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级围岩地层,刀盘推力可由撑靴提供,可采用双护盾掘进模式;(2)Ⅴ级围岩(软岩、强风化)条件下,撑靴撑力、围岩承载力及刀盘推力三者不能满足力学协调性,滚刀无法成功破岩,故无法实施双护盾模式施工,可采用单护盾掘进模式,由管片方式提供反力;(3)根据双护盾TBM正常掘进情况下的刀盘推力、撑靴撑力和围岩强度之间的力学协调性,得到不同围岩级别下相应的掘进参数;(4)该研究成果可为城市轨道交通工程TBM施工提供理论参考。     

顶部导洞法TBM卡机脱困技术研究与应用

研究目的:TBM已在我国地下工程建设领域中得到广泛应用，但对于复杂地质条件，TBM卡机问题仍十分突出，施工中曾多次遭遇连续卡机、长期卡机、突水涌泥、设备报废、工法改变等不同程度的困难，不但造成工期延误，还使工程建设成本大幅度增加，因此研究复杂地质条件下TBM卡机防控技术以及TBM卡机后的安全快速脱困技术十分必要。高黎贡山隧道全长34 538 m,进口采用钻爆法施工，出口采用TBM法施工。TBM施工中，一般地质条件下掘进比较顺利，但遇到断层破碎带、岩性接触带、节理密集带、风化蚀变带、软岩挤压带等复杂地质条件时，仍发生了19次卡机事故，其中正洞8次、平导11次，严重影响TBM的正常掘进，特别是严重卡机时，常规的脱困方法难以奏效，需要研究安全有效的脱困技术，从而保证TBM的正常掘进。研究结论:(1)顶部导洞法是处理TBM卡机的一种有效脱困方法；(2)采用顶部导洞法处理TBM卡机时，导洞净空宽度宜为120 cm、净空高度宜为130 cm,管棚工作间宜在拱部120°范围内设置，管棚直径宜为76 mm,环向间距40 cm,仰角1°～3°,长度宜一次穿越隧道前方破碎带；(3)本研究成果可在类似隧道T...     

基于3DEC裂隙岩体强度的参数敏感性分析

结构面是裂隙岩体的主要特征,利用离散元软件3DEC程序,通过变化单节理结构面的倾角度数,计算得到裂隙岩体的强度变化情况,在此基础上分析裂隙岩体的主要参数岩(石摩擦角和粘聚力)以及节理摩擦角和粘聚力对其强度的影响,得出各参数影响裂隙岩体破坏形式和强度的规律,并分析结构面位置和结构面的组数对岩体强度的具体影响。     

敞开式TBM施工隧道掘进段空气温度计算方法

以敞开式隧道掘进机(TBM)施工隧道为研究对象,基于热力学原理,分析掘进段热害影响因素,建立敞开式TBM掘进段空气温度的计算模型,对不同围岩级别、不同岩温下掘进段内空气温度进行计算研究。结果表明:自掘进开始,TBM掘进段内空气温度迅速升高,在掘进20min时升高至接近最大值并保持基本稳定,停机后空气温度迅速下降;掘进段空气温度随围岩温度的升高和围岩级别的提高显著上升;通风对掘进段内空气有明显的降温效果;围岩温度为18℃,Ⅱ级围岩无通风时掘进段空气温度为39.9℃,通风量为60m3·s-1时下降至27.9℃,通风控制空气温度低于28℃规范限值;围岩级别Ⅱ级,60℃岩温无通风时掘进段空气温度为81.9℃,通风量为60m3·s-1时下降至46.9℃,但空气温度仍然较高,可采用在正常施工通风基础上增加洞内局部降温措施。     

单护盾隧道掘进机在砂岩、砂质泥岩地层中的掘进参数关系研究

单护盾TBM(隧道掘进机)在城市轨道交通的砂岩、砂质泥岩地层中的应用研究未有先例。以重庆轨道交通5号线大竹林停车场—重光站区间隧道施工为依托,通过分析单护盾TBM施工过程中掘进速度与各掘进参数的关系,获得了掘进速度随各参数的变化规律;通过统计分析得到了正常掘进状态下的掘进参数推荐值,拟合了掘进速度与掘进参数间的关系方程;通过对比验证了采用掘进参数推荐值可以获得更高的施工效率。     

不同岩层倾角深埋硬岩隧道围岩开挖变形研究

研究目的:深埋硬岩顺层构造由于其分层特性和结构形式的特点决定了在这样的地质环境中开挖隧道,其围岩受力之后的变形和破坏具有一定的特殊性。本文以拟建某高铁黄草隧道为例,就深埋隧道顺层硬岩组合围岩在不同岩层倾角下的开挖损伤变形开展数值模拟分析评价,主要研究不同岩层倾角下的隧道围岩变形、围岩屈服渐进性及稳定性,并给出强度折减至极限状态时硬岩组合隧道围岩的变形破坏模式。研究结论:(1)随着岩层倾角的增大,顺层硬岩组合隧道主变形从岩层弯曲变形逐渐向顺层滑移变形转变,倾角增大至一定程度时( 75°),垂直层面局部位移相对较大,在滑移变形为主的基础上弯曲变形程度加大;(2)硬岩组合的开挖引起洞室周边一定范围内的围岩发生屈服,岩层倾角变化导致围岩屈服区范围大小发生改变,倾角为30°时屈服范围最大,以此为界减小或增大倾角,屈服区均表现为不同程度的减小趋势;(3)岩层倾角存在界限值,硬岩组合黄草隧道为40°,小于或大于该值稳定安全系数均减小,10°～75°区间内稳定安全系数变化幅度最高达17%;(4)强度折减条件下,围岩破坏模式略有变化,表现为:倾角≤30°时,垂直于层面方向的位移量和破坏范围大,围岩以层裂(弯曲折断)破坏模式为主;当倾角 60°时,顺层面方向破裂范围大,但垂直层面破坏优先启动;(5)本研究成果对促进该高铁的顺利建设和今后类似工程的建设有着理论指导意义和工程价值。     

基于重庆岩层的复合式TBM刀盘中心滚刀布置形式及受荷规律研究

全断面岩石掘进机(TBM)的滚刀布局直接影响TBM隧道工程的掘进效率。基于颗粒离散元计算方法,建立中心滚刀群与围岩的相互作用模型,模拟TBM掘进过程中双刃中心滚刀的破岩过程,从单一滚刀受力特征、中心滚刀区域刀盘整体力学性能以及岩石裂纹扩展等方面研究中心滚刀的受荷规律及布置形式。研究结果表明：(1)中心双刃滚刀的垂直力和滚动力随着安装半径增加呈现增大趋势,而侧向力变化并不明显;(2)双刃中心滚刀内侧刀圈受力小于外侧刀圈,且内外侧刀圈的受荷差异随着安装半径增加而减小;(3)“十”字形中心滚刀布置方式可降低单一刀圈受力和中心滚刀区域刀盘整体受荷,有利于TBM掘进时的稳定,建议岩质地层复合式TBM中心双刃滚刀的布置采用“十”字形布置方式。     

石英云母片岩力学性质各向异性的模拟方法探讨

针对丹巴水电工程中的石英云母片岩力学性质的各向异性问题,以专门的多角度加载室内试验数据为标定依据,对离散元方法、合成岩体方法和基于节理岩体的连续介质方法 3种可以描述岩石力学各向异性的数值模拟方法的适用性分别进行详细讨论。室内试验结果表明:石英云母片岩的变形、强度及破坏形态均随加载方向变化而改变,以加载方向与片理面斜交时最弱。3种数值模拟方法均能有效从数值方法角度模拟石英云母片岩力学特性的各向异性特征,但各自具有不同的特点与适用范围。根据讨论结果,选取计算效率较高的基于节理岩体模型的连续介质方法对CPD-1探洞进行开挖模拟。模拟结果与实际监测得到的围岩松动圈分布相符合,正确体现了石英云母片岩中片理面对围岩破坏模式及位置的控制性作用。     

多孔微差爆破下岩石损伤演化规律研究

目前山岭隧道开挖中大多数采用钻爆法,但爆破施工时难免会出现超欠挖、围岩损伤破坏严重等现象,直接影响施工安全。通过建立本构模型和有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,对不同节理裂隙角度下的爆生裂纹规律以及逐孔起爆、间隔起爆两种起爆顺序和不同微差间隔时间下岩石损伤演化规律进行研究,得出当节理裂隙与炮孔中心连线成60°～90°夹角时岩体破碎效果较差,当节理裂隙与炮孔中心连线成45°时岩体破碎效果最好;间隔起爆下中间孔先起爆的爆生裂纹扩展长度分布较为均匀,可将其应用于辅助眼处,以便于岩石破碎以及减少大块率,为实际隧道工程提供了技术参考。     

隧道开挖面接近地质界面时围岩位移特征及其影响因素分析

用FLAC3D分析隧道开挖面接近地质界面时隧道围岩变形行为以及侧向应力、纵向应力、洞室形状、地质界面倾角对隧道围岩位移的影响规律.结果表明:当隧道由硬岩向软岩掘进时,随着开挖面逐渐接近前方地质界面,隧道拱顶和边墙位置围岩的位移均有明显的增加;当隧道由软岩向硬岩掘进时,开挖面以及开挖面前方的拱顶和边墙位置围岩的位移均有明显的减小;隧道掘进至硬岩与软岩的地质界面,隧道边墙位置围岩径向位移随侧向应力的增加而增加,拱顶和边墙位置围岩的纵向位移随纵向应力的增加而增加;矩形隧道时围岩的位移最大,马蹄形隧道时次之,圆形隧道时最小;地质界面倾斜时围岩的位移均比地质界面垂直时大.     

爆破施工隧道围岩稳定性研究

结合贵广铁路棋盘山隧道施工现场测试,研究隧道爆破近区围岩振动规律以及稳定性。对棋盘山隧道掌子面后方拱顶5 m范围内围岩的爆破振动速度进行测试和分析,结果表明:隧道爆破近区围岩的振动传播速度随爆破的比例距离呈幂指数衰减,棋盘山隧道Ⅲ级围岩的幂指数为-0.62。对爆破施工隧道的稳定性研究表明:隧道塌方主要是岩块沿着节理面滑动造成的,与节理面的抗剪强度和岩块的大小及形状相关。最不稳定拱顶位置关键块掉落的临界爆破振动速度,随关键块高度的增大而增大,而随关键块长度和宽度的增大而减小。因此,可根据隧道围岩关键块的形状和位置,计算关键块的临界爆破振动速度,进而得到保证关键块不掉落的炸药量,以控制围岩稳定,确保隧道施工安全。