沉积岩中深部隧道围岩层状破坏模型

研究发现在岩体基本力学介质中,当沉积板状(层状)岩体的结构和性状符合某些特征时,其力学机理从总体上符合板壳结构的特征.根据这一结论,建立了沉积层状结构岩体隧道围岩破坏模型.采用该模型具体分析了深部直立沉积层状岩体中的地下工程围岩在其长度远大于直立高度的情况下岩体中的层状破裂问题.并根据地下结构失稳概率分析原理,建立了直立沉积层状围岩稳定的极限状态方程.     

考虑结构面特性的层状岩体各向异性模型

层状岩体中存在着定向结构面,导致其力学特性具有明显的各向异性.将层状岩体视为由基岩和定向结构面构成的一种宏观复合材料,以Drucker-Prager准则为基础,通过分别考虑结构面和基岩的力学性质,建立了层状岩体各向异性力学模型.该模型克服了常规层状岩体力学模型不能反映地层结构面特性及不能独立考虑基岩累进破坏特征的问题.在此基础上,提出了该模型的求解方法,基于ABAQUS二次开发,编制了计算程序,通过与经典理论进行对比,验证了该模型的有效性和实用性.将该模型应用于层状岩体地下工程的计算分析,所得结果可以较好反映层状岩体各向异性特性,且与工程实践基本相符.     

双弱面层状岩体本构模型及其工程应用

岩体中的优势结构面由于具有明显的方向性,其对岩体的力学特性影响较大。基于该背景,对双弱面层状岩体中隧道开挖后围岩非对称破坏模式进行了研究。首先,建立了双弱面层状岩体的本构模型。该模型中,软弱结构面和岩石基质体的强度特性均采用带拉伸截断的摩尔-库伦强度准则进行描述,其变形特征满足横观各向同性理论。然后,采用VC++编程语言将该模型嵌入到FLAC3D软件中,并对模型的有效性进行了验证。最后,基于该本构模型,通过数值计算系统研究了隧道围岩在双弱面不同空间位置组合下的破坏模式。结果表明:(1)开发的双弱面本构模型可以较好地表征岩石强度、形变与破坏模式的各向异性特征;(2)双弱面围岩中弱面倾向与倾角的组合对围岩破坏模式有很大的影响,大多数情况下均体现出明显的非对称破坏特征;(3)围岩的破坏模式受到弱面的空间形态与地应力场的共同影响,对于不同构造应力场条件下的相同弱面空间组合模式而言,随着弱面倾角的增加,围岩破坏模式之间的差异逐渐增大;(4)在实际工程中,根据岩体弱面的实际组合,要找出围岩的关键破坏位置,然后进行针对性的加强支护来控制围岩的非对称变形。     

陡倾角层状岩体中巨型地下洞室群的围岩稳定问题

层状岩体是工程上遇到频率较高的一种地质体,由于具有层状结构,其工程性质较为特殊。文章从层状岩体的变形破坏特征入手,指出层状岩体的变形破坏主要以顺层滑移和弯折破坏为主,并以此分析了陡倾角层状岩体中大型地下洞室群开挖会遇到的围岩稳定问题。工程实例表明理论分析与实际相当吻合,本文的研究对于层状岩体中的地下工程建设具有一定的参考价值。     

层状岩体地下洞室施工阶段围岩精细化分级

围岩分级方法在实际应用中存在结果处理复杂、围岩分级量化数值范围交叉及围岩分级精度较低等问题，为了对层状岩体地下洞室施工阶段的围岩进行精细化分级，基于HC分类法，重点考虑层状岩体的层厚与产状对围岩稳定的影响，通过有限元软件Midas GTS对25种由正交试验方法得到的代表性工况进行了数值模拟，并将位移计算结果进行了极差分析。结果表明：层状岩体隧洞位移分布方向主要取决于结构面走向与洞轴线夹角α及结构面倾角β,而位移分布范围的大小主要取决于岩层厚度h;对层状岩体隧洞稳定性影响的大小排序为，饱和单轴抗压强度R_c>结构面走向与洞轴线夹角α>张开度W>层状岩体层厚h>结构面倾角β,因此，层状岩体隧洞围岩分级时，应充分考虑结构面产状的影响；饱和单轴抗压强度R_c、结构面走向与洞轴线夹角α均与层状岩体隧洞的稳定性近似呈正比，张开度W则与层状岩体隧洞的稳定性近似呈反比；层状岩体层厚h=0.6 m时，层状岩体隧洞稳定性最差，结构面倾角β=60°时，层状岩体隧洞稳定最差。基于HC分类法提出了基于隧道相对变形的修正分级区间，并分别采用了模糊物元...     

深埋隧道层状岩体破坏过程特征模型试验

针对深埋隧道层状岩体围岩变形破坏的复杂性,以渝沙高速公路共和隧道工程为背景,采用自行研制的弹脆性相似材料构筑层状岩体隧道物理模型,利用应变监测技术和内窥摄影技术,研究了层状岩体在不同荷载作用下围岩应力分布及变形破坏过程特征。结果表明：深部层状岩体受层理结构面的影响,围岩具有明显偏压特征;在沿层理面方向主要受到与其一致的应力挤压从而产生剪切破坏,垂直于层理方向的破坏呈X型裂纹且沿洞壁深部发展;掉落块体呈楔型体,隧道围岩破坏范围呈明显的不均现象;模型试验结果与现场测试结果基本一致,为理论分析深部层状岩体破坏机理提供了可靠的试验结果。     

砂板互层岩体中隧道围岩力学特性研究

通过建立可反映互层岩体中砂岩与板岩组成、岩层倾角、岩层走向等因素变化对岩体变形影响的互层岩体本构模型,研究了砂板互层岩体中隧道围岩的力学特性。研究结果表明:岩体中板岩体积含量越高,围岩最大变形及破坏范围越大,隧道周边围岩变形不对称性也越明显,板岩结构面的内摩擦角大小对岩体变形及破坏范围影响很大,板岩沿结构面破坏为砂板互层岩体的主要破坏形式之一;砂板互层岩体的倾角变化将影响隧道周边围岩变形的对称性及破坏区域的分布,倾角在40°～60°时,围岩变形的不对称性最明显,板岩含量较高时,砂板互层岩体的最大变形随倾角的增大而降低;岩层的走向与洞轴线交角越大,围岩变形越小,隧道周边围岩变形也越趋于对称,在陡倾砂板互层岩体中,洞轴线应尽可能沿与岩层走向大角度相交的方向布置以利于围岩的稳定;随着埋深的增加,围岩变形及破坏范围均增长,因岩层倾角、走向变化引起的隧道周边围岩变形不对称性也越明显。     

层状岩体的力学特征和数值模拟方法研究

层状岩体由于具有层状结构,不仅变形和强度性质有异于一般的岩体,岩体的破坏方式及机理也具有明显的特点。作者在前人研究的基础上,结合自己对该问题的研究,全面总结了倾斜层状岩体的力学特征和数值模拟方法,并对各种模拟方法的优缺点进行了比较。     

考虑层间黏聚力的水平层状围岩隧道顶板力学模型计算

水平层状岩体力学性质不仅受岩层组合和结构面控制,而且与层间黏聚力密切相关。水平层状围岩隧道在施工过程中对层间黏聚力考虑不当时,极易造成设计支护参数不合理,导致拱部掉块落石、离层、弯折,甚至局部坍塌、超欠挖等工程问题,严重影响工程安全、施工质量和建设进度。目前水平层状围岩隧道顶板一般简化为锚固梁和简支梁模型,但未考虑层间黏聚力。根据水平层状围岩隧道开挖的不同阶段,将隧道顶板分别简化为开挖初始阶段的锚固梁模型和施工扰动后的简支梁模型,并利用顶板梁体模型的协调变形条件,得出梁模型的层间黏聚力计算公式。以大梁峁隧道为工程依托,分别应用考虑层间黏聚力和不考虑层间黏聚力的梁模型进行隧道临界开挖跨度计算。结果表明：考虑层间黏聚力和不考虑层间黏聚力对水平层状围岩隧道临界开挖跨度影响较大。考虑层间黏聚力时,锚固梁模型临界开挖跨度为3.36~4.75 m,简支梁模型临界开挖跨度为2.74~3.88 m;不考虑层间黏聚力时,锚固梁模型临界开挖跨度为0.14~0.30 m,简支梁模型临界开挖跨度为0.12~0.24 m。结合大梁峁隧道工程现场,隧道开挖跨度3~6 m时,拱顶会出现平顶现象,产生离层和掉块,因此考虑层间黏聚力的水平层状围岩隧道顶板力学模型更符合工程实际情况。     

公路隧道围岩结构面调查分析

结构面是岩体的重要组成部分,是岩体区别于其他工程介质的本质差别。结构面的存在使岩体具有不均一性及各向异性,岩体的破坏机理在很大程度上受结构面的控制。而公路隧道围岩结构面的几何学及力学特征的调查研究是进行围岩稳定性扣隧道渗流分析的前提。文中在对江西省景德镇某高速公路隧道岩体结构面调查的基础上,利用DIPS、Excel等软件对各种结构面进行了统计分析,旨在弄清围岩结构的总体特征,找出优势结构面,为公路隧道围岩稳定性分析与渗流计算提供科学依据。     

西南红层边坡分类及加固防护理念研究

通过对西南地区红层边坡的实地调查研究，并结合前人的研究资料，对红层边坡岩体结构和破坏形式进行统计分析。分析表明:红层边坡岩体结构归纳总结为层状结构、碎裂结构、散体结构和基覆二元结构四大类，层状结构进一步细分为五个亚类；红层边坡破坏形式划分为顺层滑动破坏、软弱互层破坏、楔形体破坏、倾倒破坏、风化剥落和坡面冲蚀六类；针对红层特性，对红层边坡的加固防护提出了放缓边坡、分格排水、植被保墒工程措施，实践工程防护和生态防护有机结合的理念。     

高性能复合砂浆钢筋网加固某桥梁

以湖南省某公路桥梁结构加固工程为例,就工程中出现的病害进行了分析,通过具体工程实例,提出了桥梁改造加固方案设计的原则和加固设计思路,根据试验结果提出了合理的施工工艺,对比了加固前后桥梁的性能。     

煤系地层横观各向同性岩体边坡预应力锚索框架梁有限元分析

煤系地层路基边坡横观各向同性岩体与加固防护措施的相互作用机制比较复杂,结合晴兴线煤系地层高速公路路基边坡工程,对现场样品的横观各向同性岩样进行了单轴压缩实验,确定弹性特征的参数,并通过有限元方法分析了煤系地层岩体横观各向同性边坡与预应力锚索框架梁的相互作用影响,为煤系地层横观各向同性岩石边坡的预应力框架梁支护设计提供了借鉴。     

库车县铜厂水库对库俄铁路隧道的影响评价

在对库车县铜厂水库和库俄隧道所处场地的地层特征、地质构造及库水渗透速度等进行分析的基础上,评价水库蓄水后对隧道工程的影响,并为其隧道洞身的防护措施提出了建议。     

层状围岩隧道施工爆破与锚固研究

分析了在层状围岩中采用矿山法修建隧道时爆破和锚固问题。通过计算机数值模拟、理论分析和现场试验结果总结出在层状围岩中开挖出设计的拱形轮廓的爆破原则和参数。通过分析锚固机理 ,结合现场试验 ,总结出了在层状围岩中的锚固方式和锚杆参数确定方法。     

基于层状围岩变形特征的高地应力陡倾板岩隧道合理洞型研究

即将开工建设的川藏铁路雅安至昌都段,隧道穿越地层多以陡倾（立）变质层状板岩为主,埋深大都在千米左右,地应力高或极高,其建设面临着很严重的大变形问题,给设计阶段初期带来极大挑战。针对以上工程背景,基于层状围岩的变形特征,对高地应力陡倾板岩隧道的合理洞型选择展开研究。首先通过解析计算分析圆形洞室层状围岩的变形特征,并进一步采用离散元数值模拟计算分析马蹄形洞室的变形特征,经相互对比验证数值计算的可行性和合理性,在此基础上,对比研究高地应力陡倾板岩地层单洞双线隧道、双洞单线隧道选择对控制变形的优越性,最后在选定的双洞单线隧道洞型基础上进行优化选择。研究结果表明：与岩层倾角垂直处围岩以结构变形为主,结构面张开变形与薄层结构的弯曲变形为变形的主要来源,且垂直结构面方向围岩变形程度与影响范围均大于其他方向;从控制隧道变形及开挖影响范围考虑,在高地应力陡倾（立）板岩地层采用双洞单线隧道更为合理;在高地应力陡倾（立）板岩地层中,单线隧道高跨比为1.02~1.06时,变形控制最好,而圆形隧道由于开挖面积的增大并非为最优断面。     

三联隧道围岩大变形原因分析及处治措施

贵昆铁路六沾复线三联隧道施工中,在玄武岩与煤系地层不整合接触带附近发生围岩大变形。结合地质勘察、施工揭示、施工支护衬砌及开裂变形特征,全面分析围岩地质环境、地层工程特性,结构受力特性及施工方法、技术措施的适应性,找出支护结构变形的原因,并在隧道开挖过程中进行进一步的试验,从而提出针对性工程处治措施,实施后效果良好。     

砂砾地层盾构隧道受力光弹试验

为满足城市地下管廊、城际快速地下交通网的建设需求，中国隧道工程的应用率与日俱增。砂砾地层因黏聚力较低，与其他地质条件地层相比工程特性明显。在分析类似地质情况下的盾构隧道受力时，连续性介质假设已不能满足实际需求，应从非连续介质角度分析隧道及其周围岩石介质的受力分布。通过光弹试验观测砂砾地层中隧道-围岩系统内的力链强弱及其分布形式，并应用数字图像处理方法提取力链信息。在光弹颗粒中设置圆形管道以模拟盾构隧道，并通过改变内置管道的直径大小，改变上部及侧部载荷大小，以及在管道底部进行光弹颗粒释放，来分析砂砾地层中隧道直径、埋深变化及隧道底部的地层破坏、流动对隧道-围岩系统中力链分布的影响。利用颗粒元软件PFC对试验过程进行数值模拟，对比分析模拟结果与试验结果以验证试验的可靠性。结果表明：力链是砂砾地层与隧道之间载荷传递的主要方式，围岩与隧道间的接触力分布具有非对称性；隧道的椭圆化程度及其周围砂砾岩层中的力链密度，均随着隧道直径和埋深的增加而增大；当砂砾地层破坏、流动时，隧道-围岩系统内的力链也被破坏并重新分布，地层内维持系统稳定的“环状”强力链退化成为“拱形”强力链，系统自稳性产生破坏，此时应采取措施强化系统的稳定性。     

基于人工神经网络的顺层偏压隧道变形预测

根据顺层偏压隧道工程实际监控量测数据，结合工程地质条件，基于人工神经网络，建立了顺层偏压大变形隧道人工神经网络预测模型，得到了顺层偏压隧道变形预测值。通过现场实测与模型计算预测变形值对比分析得出:人工神经网络预测模型在顺层偏压隧道大变形预测方面有很高的适用性能。     

基于增强鲸鱼优化算法的面波频散曲线反演

增强鲸鱼优化算法是一种新型群体智能优化算法,相比于传统算法,其性能更加卓越。面波频散曲线反演横波速度可以对浅部的地层进行精确刻画,是工程物探领域一种可靠的手段。利用面波可以有效地识别当地层中出现含高速层或含低速层,但是面波频散曲线反演是一个多极值、非线性的问题。使用增强鲸鱼优化算法,相较于传统线性反演,其可以更快速地逼近极值或跳出局部最小值,收敛速度更快,满足工程物探的需求。