基于疲劳寿命的40 t轴重重载单线隧道隧底参数优化

基于疲劳寿命分析方法对几内亚西芒杜新建40 t轴重重载铁路隧道进行隧底结构参数设计优化分析。考虑不同围岩等级、轴重、结构参数以及行车速度等的多种工况,采用动力有限元方法得到列车动载作用下隧底结构疲劳危险部位的应力时程曲线即应力水平,而后根据疲劳累积损伤理论,创新性地考虑应力疲劳与材料碳化的耦合,得到了不同工况隧底混凝土结构的使用寿命。最后给出了不同围岩级别下单线有砟铁路隧底结构优化参数,探讨了轴重和行车速度对结构疲劳寿命的影响规律。     

不同干湿循环路径下Q2原状黄土强度与微观结构演化试验

为探明不同干湿循环路径对Q₂原状黄土宏观强度和微观结构的影响,考虑地下黄土赋存环境,开展了3种干湿循环路径下的三轴剪切试验、核磁共振测试和扫描电镜试验,分析了Q₂原状黄土强度、微观孔隙分布和土颗粒结构的演化规律与特征,并结合矿物成分变化探讨了相互之间的影响关系。研究结果表明：不同干湿循环路径下,宏观参数-黏聚力与微观参数-孔隙分布、孔隙和土颗粒平均直径均表现出不同程度的劣化效应,参数衰减趋势完全一致,即干湿循环幅度越大,上限含水率越高,衰减越严重,劣化效应越明显。宏观参数-内摩擦角与微观参数-孔隙和土颗粒结构演化特征相似,即内摩擦角小幅波动,孔隙与土颗粒的形态、结构复杂度和排列有序性基本稳定。考虑干湿循环幅度、上限含水率和循环次数3种参数,构建了微观孔隙劣化特征函数,解释了不同干湿循环路径下的孔隙劣化特征,揭示了Q₂原状黄土微观孔隙损伤劣化两阶段发展规律,即波动式损伤积累上升阶段和损伤劣化稳定阶段。相关研究成果可为不同循环路径下的原状黄土宏微观劣化认知提供有益参考。     

围岩应力梯度对应变型岩爆特征荷载影响模型试验研究

应变型岩爆是在深地下开挖引起围岩应力集中后受梯度应力作用下产生的。为探明围岩应力梯度对应变型岩爆围岩破坏及特征荷载的影响,采用自主研发的真三轴气液复合加卸载岩爆模拟试验装置,在相同模型材料、围压与单面卸载条件下,进行了4种竖向梯度应力加载的岩爆模型试验。试验采用类岩石材料的大尺寸(1 000 mm×600 mm×400 mm)试件实现竖向梯度应力加载,模型材料选取具有强岩爆倾向的水膏比为0.7的石膏材料。基于岩爆模型试验的宏观破坏现象观察及加卸载过程的声发射能量与累计能量曲线,分析了竖向加载应力梯度系数对试件岩爆破坏特征的影响规律。基于试验过程的加载应力及声发射振铃总计数曲线的阶段性变化分析,获得了4种不同竖向梯度应力加载条件下试件的峰值荷载、起裂荷载与损伤荷载。结果表明:随着竖向加载应力梯度系数的增大,岩爆碎屑由大块板状为主逐渐过渡到以小块片状、块状与粉末状为主,岩爆碎屑的弹射最大距离逐步增大,岩爆的动力破坏现象越来越来越明显;试件在破坏过程中释放的累计能量逐渐减小,能量释放越来越趋于临近岩爆前集中释放;试件的起裂荷载趋向于增大,损伤荷载则变化不大,峰值荷载减小。     

基于对数应变考虑渗流影响的软弱围岩圆形隧洞弹塑性解

为求解发生大变形时软弱围岩圆形隧洞的应力和位移，基于三剪应力统一强度理论和拉格朗日坐标下的对数应变，通过考虑施工期、运行期和检修期3种工况下主应力顺序以及渗流等影响，推导理想弹塑性模型软弱围岩的弹塑性解，并分析弹性模量、泊松比、孔隙水压力和强度准则4个参数对塑性区厚度和洞壁处径向位移的影响。研究结果表明： 1）施工期围岩塑性区厚度随弹性模量的增大呈现先增大后逐渐趋于一个稳定值（小应变解），而运行期围岩塑性区厚度随弹性模量的增大呈现逐渐减小后逐渐趋于一个稳定值（小应变解），洞壁处径向位移在施工期和运行期2种工况下均随弹性模量的增大逐渐减小； 2）施工期和运行期围岩塑性区厚度随泊松比增大几乎无影响，而洞壁处径向位移随泊松比增大呈线性增大； 3）施工期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移随孔隙水压力的增大而增大，而运行期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移随孔隙水压力的增大而减小； 4）不同强度准则下的塑性区厚度和洞壁处径向位移变化显著； 5）检修期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移变化规律与施工期类似。对于发生大变形的软弱围岩圆形隧洞，推导的弹塑性解与小应变解明显不同。     

基于损伤的钢筋混凝土箱型墩双向恢复力模型

为得到水平双向荷载耦合作用引起的累积损伤对钢筋混凝土箱型墩滞回特性、强度和刚度退化的影响规律,对其双向恢复力特性进行研究。首先,介绍了以长细比、轴压比、体积配箍率和加载角度为参数的钢筋混凝土箱型墩双向拟静力试验、有限元参数分析以及考虑水平双向荷载耦合作用的损伤因子计算公式。其次,将试件的骨架曲线简化为带下降段的三线型折线,建立钢筋混凝土箱型墩骨架曲线特征点及其刚度的计算方法。最后,根据实测滞回曲线的特点,分析损伤因子与钢筋混凝土箱型墩柱强度和刚度退化之间的关系,提出水平双向荷载作用下从峰值位移卸载的荷载陡降段的计算公式,同时给出双向滞回规则,建立钢筋混凝土箱型墩柱基于损伤的双向恢复力模型。研究结果表明:依据建议的钢筋混凝土箱型墩恢复力模型计算得到的骨架曲线、滞回曲线与拟静力试验结果吻合较好,最大误差不超过10%,且可以较好地体现出双向荷载作用引起的箱型墩损伤加剧效应以及滞回特征,可以为钢筋混凝土箱型墩结构的多维弹塑性抗震性能分析提供理论参考。     

复杂地下水环境下膏溶角砾岩隧道围岩力学性质劣化研究

为研究复杂地下水环境下隧道膏溶角砾岩的劣化特征,以山西某隧道工程存在的膏溶角砾岩为研究对象,考虑流速作用(0、10、20L/h),开展不同循环次数(1、3、6、10次)的干湿循环试验,系统分析膏溶角砾岩在不同流速及不同干湿循环次数下的溶蚀和吸水行为的演变规律;通过单轴和三轴压缩试验,进一步探究膏溶角砾岩在不同流速及不同干湿循环次数下的力学参数劣化规律。研究结果表明:1)干湿循环作用与水流共同导致了膏溶角砾岩的劣化,干湿循环对膏溶角砾岩的劣化作用主要在于降低颗粒的联结程度,而流速则会加剧膏溶角砾岩的溶蚀行为,并侵蚀剥离岩样表面的松散颗粒;2)膏溶角砾岩各力学指标(单轴抗压强度、弹性模量、内摩擦角、黏聚力)随着流速与干湿循环次数的增加呈下降趋势,当流速为20L/h时,经历10次干湿循环后,膏溶角砾岩的单轴抗压强度降低了72.86%,弹性模量降低了75.67%,内摩擦角降低了70.69%,黏聚力降低了57.58%,其力学参数的劣化程度由高到低依次为弹性模量、单轴抗压强度、内摩擦角以及黏聚力。     

砂卵石地层地下水对盾构隧道影响的离散元流固耦合分析

为探明砂卵石地层中地下水对盾构隧道衬砌上的土压力以及地层变形的影响,以成都地铁2号线为依托,采用颗粒流方法,从细观角度模拟分析地下水对盾构隧道衬砌荷载分布以及地层扰动的规律,研究盾构隧道动态施工过程中及后期稳定后的水、土压力分布。研究表明： 考虑地下水工况时的衬砌荷载小于不考虑地下水的工况,开挖后地下水位越高,衬砌荷载越小;地下水分布影响隧道开挖后洞周应力重分布,拱顶处受到的影响最大,拱肩处受到的影响最小;盾构隧道开挖后,拱顶上方存在一定范围的松动区,在松动区上方一定范围形成坍落拱,起到承载作用,同时将上方土荷载有效地传递到洞周两侧。考虑地下水时,由于有效应力减小,地层变形相应减小,地层受盾构施工扰动的影响减弱。     

富水全风化花岗岩地层隧道开挖稳定性分析

隧道穿越富水全风化花岗岩地层时，隧道开挖会引起地下水径流改变，洞内掌子面附近渗流会引起围岩中细颗粒物质流失，改变围岩土体的组成并降低其力学性能，影响围岩整体稳定性，极易诱发其失稳坍塌。基于室内三轴CD试验获取全风化花岗岩内摩擦角、粘聚力及抗剪强度等指标，采用强度折减法对隧道稳定性进行定量分析，并研究了降水措施对隧道稳定性的影响。研究结果表明：1)开挖后全风化花岗岩中细颗粒逐渐流失，引起干密度、粘聚力及内摩擦角降低，进而降低围岩抗剪强度及自稳性，诱发隧道失稳坍塌；2)隧道稳定性安全系数随着渗流导致围岩软化发展而减小，拱顶沉降及仰拱回弹变形则随之显著增加，开挖后塑性区范围逐渐增大，从拱脚向拱腰发展，并逐步向地表扩展；3)洞周采取降水措施可降低洞周含水率，能提高隧道开挖稳定性，可直接提高围岩的安全系数。     

无砟轨道路基动力响应影响因素分析

以双块式无砟轨道路基典型结构为研究对象,分析车辆轴重、结构层间接触条件、轨道结构整体模量、支承层模量和基床表层模量等对路基面动力响应的影响,分析路基动力响应对各参数的敏感性。数值仿真结果表明:在车辆单轴荷载作用下,路基面动应力分布表现为横向均匀、纵向三角形的基本形式;对路基面动应力沿线路纵向分布长度影响的主要因素,是无砟轨道结构的整体刚度、车辆轴重、支承层模量等;结构面间接触状态劣化导致无砟轨道结构刚度的降低和路基面的动压力增大。     

公路高陡边坡含软弱层灰岩的劣化特性研究

奥陶系灰岩具有成岩作用好、强度高、脆性大的特点。而岩体由于其特殊的形成条件，在岩体中存在大量的矿脉结构，易受风化作用的影响；同时，节理发育也会导致岩体劣化。以太行山奥陶系灰岩为研究对象，进行了室内干湿交替试验，得到了石灰石的劣化特征，建立了波速与空隙之间的数学模型。研究表明：(1)岩样声波波速在干湿交替过程中逐渐减小，并且横波比纵波的变化更为明显，由此说明灰岩的剪切特性发生较强的劣化；(2)试验中存在3种不同的劣化形式，即原生裂纹发育、矿脉延伸和表面剥蚀，在研究中以矿脉延伸为主要劣化形式；(3)矿脉劣化主要表现为颗粒脱落和空隙延伸，减弱了声信号能量的耗散；(4)利用大开空隙率、抗拉强度和点荷载强度建立了灰岩的劣化模型，可见其呈“S”型增长(减小)。     

沙湾特长隧道软弱破碎千枚岩围岩参数敏感性分析与反演研究

为解决甘肃渭武土建试验2标沙湾特长隧道围岩软弱破碎、遇水软化以及强度低等使得围岩力学参数难以准确确定的难题,采用ABAQUS数值计算和正交设计方法进行参数敏感性分析,确定各参数对围岩变形的影响程度。基于粒子群优化的BP神经网络算法建立PSO-BP参数反演分析方法,并编制反分析程序。根据反演的参数进行数值模拟,分析围岩和支护结构位移、应力及塑性区分布情况。研究结果表明： 沙湾隧道围岩位移影响因素重要性依次为黏聚力c、泊松比μ、内摩擦角φ、弹性模量E;PSO-BP参数反演分析方法是一种有效的反分析方法,具有较高的精度。     

蒙华铁路三荆段深埋软弱围岩隧道荷载研究

《铁路隧道设计规范》中的深埋围岩压力公式没有考虑隧道拱部围岩本身的承载作用以及超前预支护作用,荷载计算结果偏大。为验证深埋隧道初期支护结构实际承受的围岩压力荷载,以蒙华铁路三门峡至荆门段现场监测数据为依托,通过分析围岩变形监测资料,探讨蒙华铁路隧道围岩及结构在隧道开挖过程中的变形行为,并采用拱顶沉降与水平收敛相结合的位移反分析法,建立荷载-结构法平面有限元模型,反演推导围岩压力荷载。分析结果表明:双线隧道反分析得出的围岩荷载为同级别按规范计算值的70.7%~76.5%;单线隧道反分析得出的围岩荷载为同级别按规范计算值的88.8%~93.1%。研究成果对蒙华铁路隧道现场施工和优化支护结构设计起到了很好的指导作用,希望能对以后类似隧道工程的设计和施工提供参考。     

隧道软弱围岩的卸荷特征与大变形控制研究

隧道软弱围岩大变形往往表现出时效性的流变变形特征,对此特征提出了一种环状间隔式衬砌与主动性卸载相结合的永久性支护理念。在合理的简化下建立了隧道衬砌段与非衬砌段的隧道力学分析模型,并在围岩常用蠕变模型、Mohr-Coulomb强度准则和非关联塑性流动法则基础上,对支护段围岩进行黏弹塑性求解,得到了围岩的黏弹塑性变形位移解。在参考现有围岩应力释放模型并确定无支护段围岩应力释放系数之后,对无支护隧道段围岩进行求解,得到了围岩的黏弹塑性变形位移表达式,建立了未支护洞段围岩位移与支护洞段围岩压力的关系。算例分析表明,理论分析与实际工程中围岩的应力和位移的变化是相吻合的。     

基于围岩力学参数的TBM净掘进速率多元回归预测模型

TBM净掘进速率与围岩地质条件密切相关，特别是岩体力学参数。为研究TBM净掘进速率与围岩力学参数之间的内在联系，以兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景，选取岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度、泊松比、变形模量等围岩力学参数，进行TBM净掘进速率与围岩力学参数相关性分析，得到相应的拟合关系式。在单因素分析的基础上，经过线性处理，建立TBM净掘进速率的多元线性回归预测模型。研究结果表明： TBM净掘进速率与围岩力学参数之间具有明显的线性相关性，TBM净掘进速率随单轴抗压强度、单轴抗拉强度和变形模量的增大而减小，随泊松比的增大而增大； TBM净掘进速率多元线性回归预测模型总体上精度较高，其预测误差在15%以内，且对不同围岩类型具有较强的适用性。研究成果能够为TBM施工性能评估提供新的参考。     

小间距隧道围岩力学参数正交设计反演

根据西康高速公路18标长哨段的隧道围岩收敛位移现场监测结果,利用正交设计理论,对该区段小间距隧道围岩变形特性及塑性区大小影响较敏感的力学参数进行了反演分析,获得了比较接近工程实际的围岩综合力学特性参数,即千枚岩的弹性模量、泊松比、凝聚力和内摩擦角,有效地克服了千枚岩难于取样和难以进行力学参数试验的困难。利用反演分析所获得的力学参数对长哨小间距隧道的施工过程进行了数值仿真,分析了该隧道施工期间围岩的应力与变形规律,给出了围岩稳定性评价,为小间距隧道工程设计与施工提供了具有一定参考价值的重要资料和信息。     

隧道稳定性分析与设计方法讲座之二：隧道围岩稳定性分析及其判据

作为一个讲座对以往研究成果作一综述。分析隧道围岩稳定性的3种判据,提出有严格力学依据的稳定安全系数作为围岩稳定分析的定量判据。指出围岩有剪切安全系数与拉裂安全系数,并建议采用强度储备安全系数作为围岩稳定安全系数。建立土体隧道稳定分析的新理念和新方法,计算中考虑了围岩的荷载释放,初期支护作为弹塑性材料加固围岩,并应具有一定安全系数,以确保施工安全。二次衬砌作为弹性结构,围岩、初期支护与二次衬砌共同作用确保运行安全。对岩石围岩分级提出初步建议,并以无衬砌围岩安全系数作为各级围岩自稳能力的定量判据,由此反推出各级围岩的力学强度参数,改善了参数的合理性。     

最小二乘支持向量机-粒子群算法在地下厂房围岩参数反分析中的应用

为准确确定地下厂房围岩的弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、侧压力系数等参数,以正交设计、最小二乘支持向量机和粒子群算法等现代数学方法为基本手段,建立基于位移增量的围岩参数反分析方法。以CCS水电站大型地下厂房为研究背景,通过工程地质条件研究选取8#机组剖面作为分析对象,采用二维弹塑性有限元方法建立地质结构分析模型。以地下厂房洞室群分层开挖多点位移计实测位移增量为依据,对CCS水电站地下厂房区域围岩力学特性及地应力场特征进行反分析。研究结果表明： 主厂房第Ⅵ层与第Ⅰ层开挖和主变室第4层与第1层开挖所产生的位移增量计算值与多点位移计实测值吻合较好,最大相对误差小于10%,说明采用最小二乘支持向量机和粒子群算法相结合的反分析方法在工程上是可行的,且效果较为显著。     

浅埋小净距公路隧道围岩压力分布规律

为了给小净距隧道设计和施工提供科学依据,并为完善中夹岩墙的加固方法奠定理论基础,首先通过对41座小净距隧道的双洞内侧围岩压力进行统计分析,研究了小净距隧道围岩压力的演化特点,分析了垂直围岩压力与单洞开挖宽度、埋深和净距的关系,讨论了双洞内侧侧压力系数与各工程地质参数之间的关系,并基于隧道实际滑裂面,建立了小净距隧道荷载计算模型,提出了小净距隧道围岩压力的计算方法,通过与实测数据及既有研究成果的对比,验证了该方法的合理性及普适性,并基于以上研究成果提出了小净距隧道围岩稳定性控制方法。研究结果表明：小净距隧道垂直围岩压力与水平压力发展趋势基本一致,水平压力发展速率明显大于垂直压力,稳定时间也较短;水平压力受双洞间的相互影响比垂直压力要大,在施工过程中应重点关注水平方向的应力发展;侧压力系数随净距增加而增大,但随埋深、内摩擦角和黏聚力的增加而减小,并普遍小于规范值;所提出的围岩压力计算式对于复杂小净距隧道具有较好的适应性,并能对施工过程中小净距隧道的围岩压力进行估算;小净距隧道围岩稳定性控制应从合适的施工方法、合理的支护设计以及实时的监控量测3个层面考虑,具体的控制对策应结合围岩条件和工程特点进行实施。     

地铁隧道考虑流固耦合影响的微裂隙岩体注浆数值模拟研究

为研究浆液与岩体的耦合作用机制,采用有限元方法对微裂隙岩体开展单一裂隙注浆数值计算。将连续性方程作为浆液流动的控制方程,将修改后的达西定律用于描述浆液在裂隙中的运动过程。基于弹性力学理论,提出考虑流固耦合效应的微裂隙岩体注浆扩散过程计算方法,研究裂隙开度、岩体弹性模量对注浆扩散距离的影响。研究结果表明： 1）在注浆过程中,裂隙开度由注浆孔附近向浆液扩散锋面处衰减,考虑流固耦合效应时注浆压力的计算误差能够减小30%左右,注浆扩散半径的计算误差可减小15%左右; 2）在注浆设计中应充分考虑流固耦合效应对注浆扩散过程的影响。