降雨入渗对膨胀土隧道力学特性影响的数值分析

为研究膨胀土隧道围岩湿度变化对隧道初期支护结构力学特性的影响,采用数值分析方法,将隧道施工过程中围岩扰动较大的范围作为"松动区",基于温度场与湿度场相关理论及变量的相似性,分析在不同扰动程度及不同渗水条件下,隧道初期支护结构变形及内力的变化特征。研究表明:在"轻微松动"条件下,洞周土体内基本不产生膨胀力;在"显著松动"条件下,洞周土体内将产生少量的膨胀力;在"完全松动"条件下,洞周土体增湿后将产生较大的膨胀力,使得隧道支护结构所受的附加荷载明显增大。随着隧道开挖扰动程度的加剧,隧道初期支护的受力和变形与不考虑增湿膨胀条件下的内力和变形之间的差异逐步增大,土体增湿膨胀后,隧道初支结构内力最大增幅接近20%。因此,隧道施工中应尽量减少对周边土体的扰动,并注重对地表水体的截、排处理。     

无砟轨道膨胀土地基的泥岩膨胀变形试验

现有铁路规范中判定为无膨胀性的低黏土矿物含量泥岩仍具有膨胀性,其膨胀对变形精度要求极高的无砟轨道高速铁路具有潜在的破坏作用。以出现上拱病害的兰新二线无砟轨道地基中的低黏土矿物含量泥岩为研究对象,进行不同土样厚度和不同含水率条件下原状土和重塑土的无荷膨胀量的对比实验。研究结果表明:膨胀土的吸水膨胀过程可以分为3个阶段:吸水加速膨胀阶段,缓慢膨胀阶段,最后稳定阶段;在相同条件下,重塑土的膨胀量大于原状土的膨胀量;与重塑土相比,原状土的吸水膨胀速度较慢;土样厚度成比例增加时,最终膨胀量并不成比例增加,并且根据实验结果拟合出了在含水率和土样厚度耦合作用下的原状土和重塑土的膨胀量比值公式。     

大断面古土壤隧道围岩变形规律研究

古土壤形成时期、环境有别于黄土,因此,古土壤隧道围岩物理力学性质与黄土隧道存在一定差异。银西高铁早胜三号隧道作为国内首次穿越古土壤地层的长大隧道,为系统研究古土壤的物理力学性质及隧道穿越古土壤地层时关键施工技术研究提供了有利条件。本文以早胜三号古土壤隧道为研究背景,通过基础试验得到古土壤的物理力学性质,利用现场量测结果分析古土壤隧道的沉降变形收敛规律,然后通过数值模拟验证了现场监测结果。研究表明:古土壤具有密度大、比重大、抗剪强度较大和弱膨胀性的特点;隧道沉降变形分为快速增长阶段、持续增长阶段、平稳阶段,沉降主要集中在上台阶拱顶位置;围岩收敛主要集中在拱脚附近,且随着测点距拱脚位置的减小,收敛值逐渐扩大;同时,三台阶七步施工工法是造成左右围岩收敛值不同的主要原因;针对收敛主要集中在拱脚位置这一现象,建议进行仰拱曲率优化的研究。     

高速铁路无砟轨道膨胀土地基膨胀量计算模型

高铁无砟轨道对膨胀变形值要求极为严格,地基的胀缩变形不仅对行车安全性和舒适性产生威胁,而且严重影响高速铁路线路的服役状态和使用寿命。膨胀土地基均为原状膨胀土,为研究原状膨胀土的膨胀规律,以兰新铁路第二双线一处典型原状膨胀土为对象,对3种不同厚度的膨胀土分别进行不同上覆荷载和不同含水率下的膨胀变形试验。研究结果表明:膨胀土的厚度越大,其膨胀量越大;上覆荷载对膨胀量起抑制作用,荷载越大膨胀量越小,荷载越小膨胀量越大;土样的膨胀量随含水率的增加可分为缓慢增长阶段、急速增长阶段和缓慢增长阶段;在厚度一定时,建立含水率增量与上覆荷载耦合情况下原状膨胀土膨胀量计算模型,再依据不同厚度对公式参数进行拟合。建立含水率、上覆荷载和厚度3因素耦合作用下原状膨胀土膨胀量计算模型,模型计算结果与实测数据吻合较好,为今后膨胀土地区高速铁路的修建提供一定的理论支撑。     

高速铁路地基膨胀土膨胀变形试验研究

以兰新铁路第2双线一处典型原状膨胀土为对象,通过进行厚度为5,10,15和20 cm不同含水率下膨胀量试验,得出原状膨胀土在不同厚度及不同含水率下过程膨胀量,研究含水率和厚度对原状膨胀土过程膨胀量的影响。试验结果表明:厚度一定时,含水率越小原状膨胀土的过程膨胀量越大,含水率越大原状膨胀土的过程膨胀量越小;含水率较低时,厚度对原状膨胀土的过程膨胀量影响较大,含水率较高时,厚度对原状膨胀土过程膨胀量影响较小,通过对试验数据的进一步分析发现,在厚度一定时,含水率和原状膨胀土的过程膨胀量呈良好的对数关系,依据不同厚度对公式参数进行拟合,建立含水率和厚度耦合作用下原状膨胀土过程膨胀量计算模型,模型计算结果与实测数据吻合较好,为今后膨胀土地区的工程建设提供一定的理论支撑。     

荷载条件下原状膨胀土浸水膨胀变形试验研究

以兰新铁路第二双线一处典型原状膨胀土为研究对象,进行厚度为2 cm的原状膨胀土在不同荷载条件下的分级浸水膨胀变形试验,以研究含水率和上覆荷载对原状膨胀土膨胀量的影响。试验结果表明:原状膨胀土的膨胀时程曲线呈阶梯型增长,且在某一含水率下的膨胀量随时间变化呈现出直线剧烈膨胀阶段、外凸弧线减速阶段和直线缓慢膨胀阶段;上覆荷载对膨胀量起抑制作用,上覆荷载越大,膨胀土的膨胀量越小,上覆荷载越小,膨胀土的膨胀量越大,且膨胀土最终达到膨胀稳定时的饱和含水率随上覆荷载的增大在逐渐减小;在上覆荷载一定的情况下,含水率和原状膨胀土的膨胀量呈良好的对数关系,再依据不同上覆荷载对公式参数进行拟合,建立了含水率和上覆荷载耦合作用下原状膨胀土膨胀量计算模型,模型计算结果与实测数据吻合较好。     

不等跨小净距隧道施工力学分析与应用

为研究不等跨小净距隧道施工时两隧道相互影响关系,基于大横琴山隧道,建立有限元模型,对各开挖步与不同围岩条件以及开挖顺序引起围岩位移、应力及支护结构轴力、弯矩变化进行分析,得到地表及特征线沉降位移、围岩主应力、支护结构特征点轴力及弯矩。结果表明:施工时大跨度断面隧道上部位移较大,同时其地表沉降极值位于隧道中间偏向大跨度隧道处;中夹岩柱在小跨度隧道侧的水平位移较大,因此在支护时,需要对小跨度隧道侧的中夹岩柱进行水平支护,以防止失稳;对比不同围岩条件变形受力特性,较弱围岩条件下施工时,需要进行不对称支护,同时先施工小跨度隧道较优。     

平顶山膨胀土工程性质试验研究

通过试验获得了河南省平顶山膨胀土原状土样的线缩率、膨胀率和膨胀力等性能参数;对重塑土样进行了不同压力、含水量和干密度条件下的膨胀率试验,膨胀力、渗透系数试验,及反映抗剪强度的黏聚力和内摩擦角试验,为研究平顶山膨胀土的变形和稳定性提供了基础资料。用粉煤灰对平顶山膨胀土进行改性处理,通过室内试验研究了不同掺量情况下土样的工程性质,结果表明:在处理到最佳状态时,改良土样仍具有弱膨胀性。     

含水率对全风化红砂岩地层隧道围岩变形影响研究

全风化红砂岩胶结程度极差,水敏感性高,遇水易软化崩解,隧道开挖过程中极易产生大变形,探究含水率对该地层隧道施工影响极有必要。以蒙华铁路阳城隧道为依托,通过现场试验、室内试验及数值模拟对全风化红砂岩隧道在不同含水率下的变形特征进行研究,并针对性提出加密降水措施。研究结果发现:全风化红砂岩存在最优含水率,当围岩含水率在12.74%左右时,围岩岩性较好;数值模拟显示围岩处于最优含水率时,围岩变形最小。由天然含水率加密降水至最优含水率附近可有效减少围岩变形量,降低幅度可达40%～50%;现场采取加密降水后能有效控制围岩变形,实测值与数值模拟值拟合较好,最大偏差10%左右,证实数值模拟有相当可靠度。     

软塑黄土二元地层隧道变形特征及监测分析

当隧道斜向上穿越软塑黄土夹层时,隧道拱部逐渐脱离软塑黄土层,使得围岩处于"上硬下软"的二元地层状态。由于软塑黄土含水率高、稳定性差、承载力低,使得大断面隧道在这种二元地层下的变形特征不尽相同。本文依托银西高铁上阁村隧道,基于室内试验、数值计算、现场监测等手段,分析"上硬下软"二元地层下隧道围岩位移演化规律,揭示隧道围岩变形特征。结果表明:随着软塑黄土层的下移,拱顶累积沉降量逐渐减小并趋于稳定;当软塑黄土分布于边墙时,围岩软弱,软塑黄土变形量大,变形时间长;当软塑黄土分布于隧底时,隧底围岩隆起值及下台阶水平收敛较大;随着隧道穿出软塑黄土层,净空收敛逐渐减小并趋于稳定。     

红黏土隧道围岩含水率变化及变形特征分析

银西高速铁路庆阳隧道洞身主要围岩为红黏土。本文通过现场监测,对庆阳隧道从初期支护开始近2个月内围岩含水率、钢拱架应力及围岩变形的变化规律进行分析。结果表明:红黏土隧道围岩含水率、钢拱架应力和围岩变形先增大而后趋于稳定;含水率和钢拱架应力的增长波动期一般为2～4周,围岩变形增长期一般为2周;含水率趋于稳定后拱顶和拱腰处围岩含水率明显小于拱脚和仰拱处;增长期围岩变形线性增大,变形基本稳定后拱顶沉降大于水平收敛;钢拱架承受围岩压力,对确保红黏土隧道围岩的稳定起着重要作用。     

含水率对昔格达地层大断面隧道初期支护安全性影响研究

昔格达地层具有水稳性差、易崩解等特点,常常引发隧道初期支护结构开裂、围岩掉块、坍塌冒顶等灾变事故。为了研究围岩含水率对昔格达地层大断面隧道初期支护安全性的影响规律并及时预防灾变事故,以成昆铁路复线桐梓林隧道为工程依托,通过数值模拟对比分析5种典型围岩含水率下隧道初期支护结构的受力特性和变形规律,根据相关规范规定的洞周变形标准和结构强度安全系数标准界定现有支护参数所能够维持的围岩含水率阈值为29%,并为超过此围岩含水率阈值的隧道支护参数提出优化方案。通过现场监控量测数据验证数值模拟计算结果的可靠性和合理性,研究成果不仅完善了昔格达地层大断面隧道设计参数,同时为类似工程提供借鉴和参考。     

上覆荷载和厚度对原状膨胀土膨胀量的影响分析

以兰新高铁一处典型原状膨胀土为对象,通过对膨胀土进行初始含水率为6%,厚度分别为2、4、6 cm及0、10、20、30、40、50 kPa不同上覆荷载下膨胀量试验,以研究厚度和上覆荷载对原状膨胀土膨胀量的影响。试验结果表明:随着上覆荷载的增大,膨胀量逐渐减小,因而膨胀土地基的膨胀变形主要发生在浅层膨胀土;原状土膨胀量随着厚度的增加而增加,且为非线性关系;对试验结果进行拟合,得到膨胀量随上覆荷载及厚度变化关系拟合关系式,为今后膨胀土地区工程建设提供理论支撑。     

大断面膨胀土隧道结构受力特性测试研究

研究目的:大断面隧道因其跨度大、形状偏于扁平,在施工过程中表现出独有的力学特点,经常造成围岩大变形侵限、区域性塌方、底鼓和支护结构开裂等施工风险,而这些特点在膨胀土环境中表现的尤为明显,因此研究大断面膨胀土隧道支护结构受力特性具有重要的工程应用意义。本文以银西线庆阳隧道为工程背景,首先通过室内试验确定红黏土围岩的膨胀参数,然后利用现场监测手段对庆阳隧道支护结构的力学特性进行研究,并评价其支护结构受力性能,以期对同类隧道施工起到一定的指导作用。研究结论:(1)隧道膨胀土最大膨胀率为67%,最大膨胀力达到67.42 kP a,施工过程中应加强超前地质预报,尽可能减少水害对施工的影响;(2)隧道拱顶、两侧拱腰及底部具有较大围岩压力,围岩压力呈对称分布,初支闭合后拱顶附近围岩压力基本稳定,但两侧拱腰及仰拱位置围岩压力持续增大;初支闭合后钢拱架受力持续快速增长且受力基本对称,隧道上部初支内钢拱架受力始终较大,拱顶钢拱架应力最大达到1.46 MPa;(3)二衬施作后,初支仍存在一定变形,二衬左右两侧衬砌压力增长显著,二衬两侧拱脚位置混凝土应力增大明显;(4)本研究成果可为大断面膨胀性隧道设计优化和安全施工提供理论指导与科学依据。     

中-强膨胀土竖向膨胀力原位试验

利用平衡加压法在云桂高速铁路典型中-强膨胀土路段进行竖向膨胀力原位试验,研究竖向膨胀力随时间、含水率增量、卸荷回弹量的变化规律,并对试验过程中试验体周边地表的变形进行了监测。结果表明:竖向膨胀力随时间的变化规律与膨胀土中渗水通道的畅通情况密切相关;竖向膨胀力随含水率增量的变化规律可分为4个阶段,即初始线性增长阶段→过渡阶段→二次线性增长阶段→稳定阶段;卸荷时,膨胀土竖向回弹变形增加,竖向膨胀力不断减小,二者呈线性或二次曲线性变化;试体周边地表的隆起规律与竖向膨胀力随含水率增量的变化规律相一致。     

干湿交替条件下膨胀围岩胀缩规律的试验研究

为研究干湿交替条件下膨胀围岩的胀缩演变规律,利用南宁地区的膨胀土制作了膨胀土隧道物理模型。通过对隧道模型进行五个循环的干湿交替试验,得出了围岩在吸水及失水条件下的应力—时间关系曲线,并对围岩在吸水及失水过程中的力学响应及行为表现进行了分析与描述。结果表明:随循环次数的增加,各应力—时间关系曲线趋于平缓,各阶段围岩应力变化值呈减小及各阶段循环所耗时间呈逐渐短化的趋势。说明干湿交替作用,使围岩的胀缩能力减弱,渗透性提高。此外,在围岩湿胀引起的洞周总围岩应力增加值中,底板处最大约为40kpa,因此在隧道设计和施工时应注意底板的变形。     

渗水条件下膨胀土隧道围岩湿度场演化规律数值模拟研究

膨胀土中膨胀力的发展主要受到湿度场变化的影响。为了解隧道周边土体湿度场随开挖过程的演化规律,基于数值模拟方法,首先根据隧道开挖引起的围岩偏应力变化梯度集中区(结合位移量),定义一个表征隧道周边土体受开挖影响范围的"松动区",并给出"松动区"范围的确定方法。然后根据温度场与湿度场相关理论及变量的相似性,通过膨胀力试验和表面浸润试验,反演确定温度场分析所需的土体热膨胀系数α和导热系数λs。采用PLAXIS的热模块,分析膨胀土隧道松动区在不同扰动程度下湿度场随隧道开挖过程的演化规律。结果表明,松动区渗水增湿影响深度随着时间逐渐增大,隧道开挖对周边土体的扰动越显著,松动区增湿速度就越快,越易接近饱和,意味着隧道衬砌结构受到的膨胀力也会越大。隧道施工中应尽量减少对周边土体的扰动,并注重对地表水体的截、排处理。     

昔格达地层隧道围岩稳定性及系统锚杆功效研究

昔格达地层隧道围岩水敏感性强,遇水易泥化,易造成围岩大变形、支护结构破坏和掌子面塌方等灾害。冉家湾隧道穿越昔格达地层,本文采用强度折减法对该隧道围岩稳定性进行数值模拟分析。结果表明:当含水率在20%以下时隧道具有一定的自稳能力,当含水率超过20%时隧道开挖需要采取超前支护措施;埋深小于45 m时埋深对昔格达地层隧道围岩稳定性影响显著,埋深大于45 m时,隧道围岩稳定性对埋深的敏感性降低;喷射混凝土对隧道安全系数的提升率大于设置系统锚杆;对于昔格达地层在天然含水率下,浅埋隧道破坏从拱部开始延伸至边墙,深埋隧道破坏从边墙开始蔓延至拱部。     

辉绿岩脉引起的隧道大变形及其形成机制EI北大核心

研究目的:以龙厦铁路吴坑隧道为例,在辉绿岩工程性质分析的基础上,结合现场监测资料对辉绿岩脉分布段围岩压力、隧道变形的特点及隧道大变形的形成机制进行研究,为辉绿岩分布地区隧道设计、施工提供指导。研究结论:(1)辉绿岩富含高岭石,具有强度低、易崩解和弱膨胀的工程特性,在卸荷应力路径下,沿卸荷方向有强烈的扩容现象;(2)辉绿岩脉的分布对围岩压力的大小及分布有十分明显的影响,岩脉出露多的断面围岩压力明显比出露少的断面大,局部出露部位比邻近未出露部位的大;(3)辉绿岩脉的分布对隧道变形也有明显影响,拱顶出露岩脉的断面拱顶下沉量较大,边墙、拱腰出露岩脉多的断面,边墙收敛变形较大,岩脉出露多的区段,隧道变形时间较长;(4)辉绿岩脉分布段隧道大变形既有膨胀变形又有挤压变形;(5)本文研究成果可用于辉绿岩分布地区隧道的设计和施工。     

地铁穿越上软土下岩体地层中加固措施研究

贵阳市轨道交通S1线一期工程某区间地铁隧道穿越上软土下岩体的地层,土石分界线位于隧道上台阶位置,针对这一地质条件,提出了袖阀管注浆加固淤泥地层、中管棚和小导管超前支护相结合的隧道围岩加固措施,并采用有限元分析了该加固方案下地铁隧道施工过程,揭示了隧道施工过程中支护内力、围岩变形的分布及发展规律,并对隧道的施工设计提出了相应的建议,最终研究结果表明：隧道开挖支护过程中支护内力、围岩变形满足要求,表明了加固措施的可行性。