铁路岩体初始应力场评估的探讨

研究目的:在实际工作中,根据地应力资料进行评估,铁路绝大部分隧道都处于极高地应力、高地应力状态,引发围岩调整、工程措施加强,从而会引起投资大量增加,甚至在分析隧道衬砌开裂和变形的原因时引发大的争议和混乱,但实际已开挖的隧道发生岩爆、大变形的工程案例却是极少数。本文通过岩体力学理论、地应力资料、工程案例并结合相近行业有关规定,对铁路规范中的铁路岩体初始应力场评估进行探讨。研究结论:(1)铁路规范对初始地应力场的评估不符合实际,应修改,初步判定实测地应力大于30 MPa时,岩爆发生的可能性增大;(2)对初始地应力场的评估结论应慎重,引发的增加投资应纳入动态设计;(3)勘察设计阶段的地应力测试应合理、适当;(4)该研究成果可应用于铁路规范修改及隧道勘察。     

挤压性软岩流变参数反演与本构模型辨识

研究目的:为合理确定挤压性岩体力学性态的各有关参数,正确认识岩体力学属性并确保数值计算结果的可靠性,将隧道现场监测变形时间序列作为依据,通过位移反演分析理论,获得对隧道围岩稳定分析结果影响显著的流变参数值,进而实施流变模型辨识,为隧道工程围岩稳定性分析提供合理的本构模型和切合实际的计算参数. 研究结论:针对挤压性软岩隧道,建立了一套基于实测位移序列的模型辨识与参数反演的方法,该方法既依赖于工程地质和岩石力学理论,又依托于岩体工程现场实际量测,是联系理论实际的桥梁.     

基于遗传单纯形算法与RBF网络的地应力场反演方法

为提升RBF神经网络性能,采用遗传单纯形算法优化RBF神经网络隐含层节点中心值,利用FLAC3D软件建立区域的数值计算模型来进行正分析计算,以若干测点的正应力值作为训练样本,用优化的RBF网络反演模型区域的岩体力学参数及初始地应力场。依据沙溪铜矿区的地质资料进行算例分析,该方法的反演计算值、实测值及其他RBF网络反演计算值对比表明:所采用的遗传单纯形算法优化RBF网络的反演方法是可行的,改善了计算精度,对类似工程有一定的参考价值。     

挤压性围岩隧道变形潜势的判定

研究目的:挤压性围岩隧道的工程难点主要是变形潜势的判定,以往主要利用岩石(岩体)的强度应力比来评价围岩的变形潜势,理论上概念明确,但在挤压影响严重段,围岩地应力和岩体强度很难实测,且受构造作用影响,岩体的强度时高时低、变化频繁,具有很大的不确定性,现场难以据此进行变形潜势判定。因此,有必要进一步研究变形潜势的判定方法,便于施工现场操作。研究结论:(1)勘察阶段可按岩石单轴抗压强度和最大初始地应力值之比对挤压性围岩变形潜势进行宏观预判;(2)设计阶段可按岩石(岩体)的强度应力比来评价围岩的变形潜势,划分变形等级,进行预设计;(3)施工阶段可按围岩完整程度和开挖后变形速率对变形潜势进一步进行判定;(4)变形速率可作为主要评价指标,对支护参数与围岩的适应性进行评价,动态调整支护参数;(5)本研究结论可为铁路挤压性围岩隧道的设计与施工提供思路和方法。     

考虑应力路径基坑变形计算及支护性能研究

基于半无限大弹性空间在条形荷载作用下应力的Melan解,首先根据基坑开挖过程应力状态的变化,建立基坑开挖问题的平面力学分析模型。利用Duncan-Chang曲线模型中的参数计算方法,推导加载和卸载模量公式,进而结合平面应变问题的物理方程和几何方程,建立平面应变问题的本构方程,得到基坑开挖后土体位移计算方法。然后建立土压力与支护结构位移的正弦和幂函数关系曲线,提出土压力计算方法。最后将理论成果应用于工程实践,将土体位移和土压力的理论值与实测数据进行对比分析。研究结果表明:该计算模型得到的基坑变形位移与实测结果吻合较好,验证了土压力与位移计算方法的合理性,同时由监测数据得到锚索预应力随时间的三阶段变化趋势,以及深层水平位移和坡顶竖向位移的匙形分布特点。     

渝怀铁路黄草隧道岩体空间应力测试与分析

通过岩体空间应力测试分析出渝怀铁路黄草隧道存在极高地应力,应力比均小于4,为按照新奥法原则进行设计、施工提供了可靠的实测数据。经过变更设计改变衬砌类型和支护参数,保证施工安全。黄草隧道岩体应力测试结果可为今后软岩地质、极高地应力地质的隧道设计、施工提供借鉴。     

基于缝合地带软岩隧道大变形机理研究

本文针对中老铁路会富莱软岩隧道在施工过程中出现的大变形问题,结合大变形破坏特征,在变形区段对围岩的物理力学性质、区域地应力、围岩松动圈等主要内容开展了试验研究,分析判定了软岩特性及等级,并通过调整支护参数,改善衬砌结构的受力状态,改进施工工艺、方法等工程措施,确保了后续施工的顺利进行。     

不衬砌水工隧洞围岩稳定性数值模拟分析

针对高渗压作用不仅会改变岩土体的应力状态,同时可能会使岩体劈裂、破坏岩体的原有结构的现象,基于流固耦合分析理论,利用快速拉格朗日有限差分法对隧洞围岩稳定性进行分析。从考虑渗流效应时围岩开挖稳定性、内水作用下围岩力学特性方面开展研究,得到围岩开挖后应力场、位移场分布特征,开挖卸载对渗流场的反馈,内水作用下隧洞的破坏特征和水力特性演变趋势。研究结果表明:对隧洞施工过程中采取安全措施,富水条件下的隧洞工程防排水提供一定的理论参考。     

渗流—应力耦合条件下隧洞围岩变形时空演化特征分析

由于地应力与渗流同时作用下的岩体力学参数及隧洞围岩变形极为复杂,对其围岩作稳定性分析非常困难。运用理论分析及数值模拟等方法,分析了渗流—应力耦合条件下锦屏二级水电站辅引3#支洞的硬岩损伤及其劣化本构模型与参数变化,构建了渗流—应力耦合条件下隧洞计算模型。计算结果表明,隧洞开挖过程中围岩位移的总体趋势表现为向临空面方向移动,洞室位移分布与地应力方向存在密切关系,位移矢量受地应力主应力方向影响明显,地下洞室沿轴线方向的位移不可忽略,地下洞室选址轴线与最大主应力方向应该尽量平行。     

高地应力软弱围岩铁路隧道的衬砌压力

以关角隧道为工程背景,采用开挖应力释放率模型,研究高地应力软弱围岩地质条件下铁路隧道的衬砌压力.基于现场实测地应力和施工监测位移,根据台阶法开挖中存在的空间效应,推算未监测到的坑道周边位移和掌子面前方位移,再采用改进的BP人工神经网络模型预测隧道围岩的最终位移.利用开挖应力释放率模型获得隧道衬砌压力及应力释放规律.该规律与经典围岩特征曲线规律一致,且与工程经验和现场施工状态基本符合.采用FLAC3D软件对该段隧道开挖过程进行三维数值模拟,验证了上述方法在高地应力软弱围岩地质条件下的正确性和合理性.计算结果和模拟结果均表明:由于高地应力软弱围岩和初支效果不佳,使得关角隧道DyK307+ 900处衬砌压力较大,隧道结构处于不利的受力状态.     

广义HOEK-BROWN经验准则在边坡岩体力学参数估计的应用研究

岩体因结构面切割作用而具有非均质、各向异性和不连续性的特性,这使得岩体强度与普通均质材料强度有所区别。工程实践中,岩体力学参数只能通过原位试验或经验公式进行估计。原位试验费钱费力且部分地区无法进行试验,因此通过经验公式获取岩体力学参数是很好的选择。广义Hoek-Brown强度准则考虑岩体结构、岩块强度、岩体扰动等多方面因素,能够很好反映岩体非线性破坏特征,利用该准则可对边坡岩体力学参数进行估计。通过量化GSI的广义Hoek-Brown强度准则估算吉尔木隧道出口边坡岩体力学参数,结果表明:该方法估计获得的参数是合理的。通过计算表明边坡主体部分岩体单轴抗压强度为1.5 MPa,变形模量为4 GPa,抗剪强度指标C=0.6 MPa,φ=32°。广义Hoek-Brown强度准则在高陡边坡岩体参数的估计中能更加方便、及时、准确地反映岩体的实际情况,在工程实践中具有很好可操作性。     

基于Hoek-Brown模型的铁路隧道围岩分级研究

铁路是一种典型的带状交通工程,山区铁路往往穿越多种复杂的地质条件,地质勘察工作量大。为基于常规的地质调查,快速分析出沿线岩层的物理力学参数和围岩分级结果,基于Hoek-Brown强度准则,对岩体宏观物理力学参数进行反演预测,建立基于常规调查和室内试验的围岩宏观力学参数分级模型。同时,采用C#编制岩体宏观力学参数估算软件,应用该软件可以便捷地对岩体的多项宏观物理力学参数进行分析。通过模型各参数的敏感性分析,发现GSI的取值是影响隧道围岩物理力学参数的关键性指标,并重点对道扎子隧道围岩的宏观物理力学参数进行取值研究,基于分析结果对道扎子隧道混合岩地层的围岩进行快速分级,有效地指导工程设计。     

某重载铁路隧道地应力测试与反演分析

浩吉铁路如意隧道在施工期间部分段落出现拱顶开裂,初支混凝土剥落、掉块等破坏现象,初步认为与隧道所处地应力环境关系密切.为了准确掌握如意隧道围岩的初始应力状态和工程区地应力分布特征,在隧道内进行水压致裂地应力测试的基础上,采用有限单元法开展隧道三维地应力场回归反演分析.研究结果表明:(1)回归反演计算值与实测值之间的相对...     

盆因拉隧道高地应力成因及岩爆防治措施研究

盆因拉隧道位于雅鲁藏布江峡谷区,受构造板块影响,地应力分布特殊,隧道的施工遇到较强烈的岩爆影响。本项目通过对隧道通过区的构造应力场进行分析,采集实测地应力数据,通过仿真技术分析预测隧址区的地应力分布特征;采用室内试验对隧道洞身处闪长岩进行矿物组分、结构特征分析;采用单轴压缩、三轴试验测试岩体力学指标,结合地应力数据及岩体力学参数、隧道开挖断面形状分析岩爆灾害发生机理,对隧道岩爆进行预测、评价,并提出采取"水压爆破、应力释放、加强支护"的措施,有效控制了岩爆造成的危害,为类似隧道的施工积累了经验。     

基于残差平方和取舍常数项的地应力场反演分析

为提高地应力场的反演精度,通过文献调研发现,含与不含常数项回归模型被单独地用于反演岩体的初始地应力场,而这两类回归模型的反演结果是不相同的,因此反演结果较差的回归模型很可能被用于反演.为解决此问题,首先,结合概率统计理论提出了衡量应力实测值与计算值偏差程度的量化指标,此量化指标可以客观地选择最佳反演结果的回归模型;然后...     

巴玉特长隧道初始地应力场反演及岩爆预测

以巴玉隧道为工程依托,综合分析工程区构造地质环境和现场地应力实测数据,通过构建三维地质力学模型获取初始地应力场分布特征.采用微震监测系统对隧道岩体破裂进行实时监测预警,并对比分析现场微震监测和地应力场岩爆预测的可靠性.研究结果表明:隧道轴向三维地应力场总体分布规律表现为最小水平主应力σh<竖向主应力σv<最大水平主应力...     

基于正交设计的岩体力学参数灵敏性分析

针对岩土工程弹塑性位移反分析参数多、难度大的问题,就如何有效、合理地确定岩体的力学参数,进行工程设计和反演分析至关重要。灵敏系数在理论上虽然可用于判断位移对参数的灵敏性,但在实际工程中,结构状态函数很难用显式表示。故针对这一问题,结合地下洞室开挖的实际工况,采用FLAC”软件分析拱形洞室开挖过程中产生的拱顶竖向位移和拱角水平位移,应用正交表和方差分析的方法,分别进行模拟试验方案的确定和计算结果分析,实现位移对岩体力学参数灵敏性的分析研究,从而确定了关键反演参数。     

川藏铁路二郎山深埋隧道的地应力场反演分析

二郎山隧道是川藏铁路的控制性重点工程,隧址区的地应力分析对于铁路的选线和施工具有重要意义。本文通过工程类比分析和应力计算确定了边界条件及水平向对称梯度应力,综合应用CAD,ANSYS和FLAC3D三种软件开展了二郎山隧道深埋方案的数值反演,分析了沿隧道轴线的应力变化和分布特征。结果表明:隧址区全长范围内最大主应力总体上随埋深增大而逐渐增加;局部应力状态受地质构造影响较大,在结构面及岩性分界点附近有明显变化。     

裂隙岩体结构面直剪特性与参数反演试验

为准确获取裂隙岩体工程中结构面的力学参数,以细观岩石力学理论和岩石结构面的数字精细化测量为基础,运用PFC~(2D)颗粒流软件,建立铜坑矿锌铜矿体裂隙结构面的精细数值仿真模型,开展节理岩石直剪数值模拟试验。实现岩体结构面的剪切力学参数的反演与预测,获得铜坑矿裂隙节理结构面的抗剪力学参数。研究结果表明:由于结构面平滑,在裂隙结构面的直剪数值模拟试验过程中,主要形成剪切滑移破坏;铜坑矿裂隙结构面的黏聚力为0.45 MPa,内摩擦角为35.8°,其反演的数值计算结果与本地区高峰矿的无厚度节理面试验数据相似度高,试验结果可为岩体结构面参数的工程应用提供基础参数。     

横观各向同性岩体内时损伤本构模型研究

层状岩体一般视作横观各向同性体,其力学特性在不同的层面倾角下存在较大的差异。为了解决这一问题并研究层面倾角与力学特性之间的内在联系,引入横观各向同性体体积模量和剪切模量与层面倾角的函数关系式。从内时理论出发,通过内蕴时间的重新构造,在Helmholtz自由能中引入损伤变量,利用不可逆热力学的基本原理推导出横观各向同性岩体的内时损伤本构方程,并给出确定本构模型中各参数的方法。对该方程在单轴应力条件下进行求解、分析与验证。研究结果表明:该本构方程能很好地描述横观各向同性岩体在损伤发生前后的变形特点,并能有效地反映横观各向同性岩体的非线性和剪胀扩容等物理力学现象。