流变效应作用下高地应力铁路软岩隧道衬砌结构长期稳定性研究

高地应力软岩具有变形量大、变形速率快、持续时间长、流变性强等特点,围岩流变性对衬砌结构长期稳定性影响大。以木寨岭铁路隧道为例,结合室内蠕变试验结果,采用Burgers流变模型,分析不同流变周期内支护结构受力随时间变化的规律。结果表明:(1)本文采用的Burgers模型能较好地反映围岩流变特性;(2)目前木寨岭隧道的支护结构形式,已施作的衬砌结构在以后数年发生压溃开裂的风险较大;(3)提高支护结构的长期稳定性及安全性,应从改变围岩流变性的角度出发,降低围岩的流变特性,增强围岩强度。     

蠕变作用下洞径对大埋深软岩盾构隧道力学特性研究

为解决大埋深软岩盾构隧道衬砌结构的稳定性问题，依托广佛环线广州南站至白云机场段工程段盾构隧道工程，采用YSJ-01-00岩石三轴压缩流变试验机对泥质砂岩试样进行了室内蠕变试验，确定了数值模拟中Cvisc模型描述隧道泥质砂岩的蠕变特性的适用性；采用数值模拟对围岩蠕变作用下大埋深软岩盾构隧道力学特性展开了探究，结果表明：蠕变过程分为逐渐衰减和稳定蠕变两个阶段，围岩蠕变会造成内力值、弯矩以及应力值增加，从而使盾构隧道管片结构变形更加严重；当洞径不同时，其产生的围岩蠕变过程中，弯矩值、轴力值、变形值、应力值的变化趋势基本相同；如果洞径持续增大，其周边的岩石产生的压力更加明显，尤其集中体现在衬砌结构(管片)上，衬砌变形程度也更大；管片衬砌外侧接触压力与洞径成正比，同时拱腰处的接触压力所受到的影响相对较大。研究结果可为大埋深软岩盾构隧道的设计和施工提供指导。     

铁路隧道底鼓段围岩蠕变参数反演方法研究

研究目的:某铁路隧道底部粉砂质泥岩蠕变导致仰拱结构持续底鼓,致使列车降速行驶,对铁路运行造成安全隐患。为较准确获取仰拱底鼓区粉砂质泥岩的蠕变参数,本文基于某隧道仰拱5年多的底鼓变形实际监测数据,建立室内岩石剪切蠕变试验与深度学习(GRNN)相融合的岩体蠕变参数确定方法,并对隧道仰拱蠕变变形进行长期预测。研究结论:(1)铁路隧道底鼓段粉砂质泥岩具有明显蠕变特性,该特性对隧道仰拱持续底鼓变形影响较大;(2)提出了基于深度学习的隧道底鼓段围岩蠕变参数反演方法,该方法结合底鼓段长期监测变形数据,能够有效获取隧底岩体蠕变参数,解决隧道围岩蠕变参数难以确定的难题;(3)反演得到的隧底岩体蠕变参数相应的底鼓变形值与实测值拟合度较高,验证了该方法的合理性;(4)本研究成果可为隧道围岩蠕变参数确定、仰拱蠕变变形预测和底鼓治理提供理论依据。     

基于分数阶微积分的Kelvin-Voigt流变模型

为研究岩土材料的应力、应变和时间的关系,基于分数阶微积分理论,定义含分数阶导数的力学元件(FC元件),推导FC元件的蠕变柔量和松弛模量.与牛顿体元件相比,FC元件能更好地反映流变问题的非线性渐变过程.借鉴经典元件组合模型的建模思路,用FC元件取代整数阶微积分Kelvin-Voigt流变模型中的牛顿体元件,形成基于分数阶微积分的Kelvin-Voigt流变模型.应用离散化求Laplace逆变换的方法以及H-Fox函数,得出分数阶微积分Kelvin-Voigt流变模型的本构方程、蠕变方程、松弛方程、蠕变柔量及松弛模量的解析表达式.采用整数阶微积分Kelvin-Voigt流变模型、整数阶5参数开尔文流变模型和分数阶微积分Kelvin-Voigt流变模型对试验数据拟合的结果表明,分数阶微积分Kelvin-Voigt流变模型不但拟合精度高,能够克服整数阶微积分Kelvin-Voigt流变模型在蠕变初期及蠕变曲线拐点附近与试验数据不能很好吻合的弊端,而且能够在保证拟合精度的条件下,减少本构模型中的参数.     

软弱结构面岩体剪切蠕变试验研究

铁路隧道建设不可避免会遇到断层、破碎带、泥化夹层、节理和裂隙等软弱结构面.软弱结构面的蠕变力学特性直接关系到隧道工程的长期稳定性.采集无扰动的天然软弱结构面立方体试样,开展不同正应力条件下的室内蠕变力学试验,以探究天然软弱结构面岩体的剪切蠕变特性,并讨论软弱结构面的长期强度的确定方法.研究结果表明:剪切蠕变过程分为瞬时阶段,瞬态蠕变阶段,稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段;瞬时变形和蠕变变形受正应力和剪切应力的影响;稳态蠕变速率与剪应力的关系可采用指数函数或幂函数表示.软弱结构面长期强度与稳定应变率有关的确定方法操作简单,具有一定的参考意义和价值;与人工预制水泥砂浆材料的结构面岩体相比,天然软弱结构面的剪切蠕变机理更复杂,在低正应力作用下,填充的土石混合物会显著影响剪切蠕变变形.     

温州深厚软黏土流变模型识别及工程应用分析

深厚软黏土隧道在运营期间的长期稳定性是困扰隧道安全运营的重要难题。本文以温州某区段深厚软土为研究对象,在理论分析的基础上,建立了温州深厚软黏土的弹粘塑性本构模型。通过加拿大Sackville地区软黏土、温州软黏土和日本大阪软黏土的流变试验的试验数据,验证了模型的可靠性。通过流变试验数据与弹粘塑性本构模型的拟合曲线进行对比,发现建立的本构模型能够很好地反映这三种软黏土的流变性能,采用此本构模型能够很好地描述软黏土的流变特性。最终以ABAQUS为平台,开发UMAT子程序——EVPMCC,建立深厚软土盾构隧道的有限元计算模型,对深厚软土盾构隧道的长期变形规律进行数值模拟研究,探讨了软黏土流变性长期变形的影响规律。本研究可以为深厚软土盾构隧道的设计、施工、监测、运营提供一定的理论依据。     

广州黄埔地区软土蠕变试验及蠕变模型选择

基于室内直剪蠕变试验结果,研究了广州黄埔地区软土的蠕变变形规律,结果表明,该地区软土具有较明显的变形时效性及在不同应力水平下的蠕变特性。通过分析蠕变曲线的规律,分别选用三元件Merchant模型、四元件Burgers模型和五元件广义Kelvin模型来描述软土的蠕变特性。拟合数据显示,五元件广义Kelvin模型的拟合曲线在各级剪应力作用下均能较好地与试验值吻合,能够较好地描述该地区软土的蠕变特性。     

软弱围岩的蠕变损伤特性及最佳支护时间

从岩体的蠕变全过程、长期强度和能量耗散的角度,分析软弱围岩的蠕变损伤特性。围岩的蠕变损伤是内部新裂纹产生和不断扩展的结果,是变形损伤与时间损伤效应的耦合。当围岩内应力水平低于其长期强度时,表现为时间损伤效应;当围岩内应力水平高于其长期强度时,表现为变形损伤效应。根据软弱围岩的蠕变损伤特性,选择合理的支护时间,使围岩的蠕变变形不至达到加速蠕变阶段,围岩强度不低于其长期强度,则可以有效避免围岩的失稳破坏。运用西原模型引入蠕变损伤变量,采用粘弹塑性理论研究软弱围岩的蠕变变形规律,提出通过位移反分析或蠕变试验方法确定模型中的蠕变参数,进而确定软弱围岩二次支护最佳时间的方法。工程实践证明该方法是合理的。     

兰渝铁路木寨岭隧道长期变形监测研究

针对高地应力软岩隧道初期支护变形破坏、钢架扭曲、侵限拆换等问题,基于兰渝铁路木寨岭隧道工程,试验研究了炭质板岩的流变性质.采用人工监测和自动化监测的综合手段对木寨岭隧道支护应力进行了长期监测,提出可将监测应力分为四个等级,当监测应力在支护极限强度的2/3以下时,围岩应力可控.根据监测结果,木寨岭隧道岭脊段软岩的流变效应...     

第三系粉质黏土地层隧道围岩大变形分析及控制研究

大西客运专线第三系粉质黏土地层乔家山隧道区段在建造初期曾出现喷射混凝土压溃、钢拱架扭曲和仰拱填充层开裂等问题。物相、微观结构分析及现场直剪流变试验表明第三系粉质黏土具有流变特性。本文采用Burgers流变模型模拟该地层力学行为并基于现场直剪流变试验反演获取流变模型参数,运用FLAC程序建立数值模型对隧道围岩大变形进行分析,结果表明围岩流变特性是造成大变形的主因。考虑地层流变性对隧道受力的影响,提出适当加大支护刚度和增大预留变形量的优化方案。数值计算和现场实测均表明优化方案使二次衬砌结构安全得到保证,隧道可顺利通过该地层。     

土石混填路堤长期沉降测试与计算分析

采用FLAC5.0所提供的二次开发程序接口,编写了改进的Burgers流变模型实现程序,并将该流变模型数值程序嵌入FLAC5.0。采用FLAC5.0中改进的Burgers本构模型和确定的流变模型参数,对怀新高速公路K20 240红砂岩土石混填粗粒土高填路堤的流变沉降进行了计算。同时对路堤沉降进行了测量,并将数值计算结果与实测结果进行了对比,对比结果表明数值计算值与实测值比较吻合,验证了改进的Burgers流变模型及其参数的合理性。嵌入FLAC5.0改进的Burgers本构模型数值计算程序为土石混填粗粒土路堤长期沉降计算提供了参考工具。     

竖向荷载作用下粘弹性地基的单桩沉降

将流变理论引入桩基分析,采用Merchant粘弹性模型来描述地基土体,并通过推广的李氏比拟法,推导出在竖向荷载作用下粘弹性地基中的单桩沉降计算公式.理论分析和工程实例都表明,地基土体采用粘弹性模型比弹性模型更合理,更经济,流变理论在桩基分析中的应用值得进一步研究和发展.     

防波堤抛石挤淤沉降数值计算方法研究

引用非定常西原黏弹塑性流变模型表达淤泥质软黏土的本构关系;结合模拟退火全局优化算法理念,基于MATLAB和ABAQUS交互软件平台,开发模拟退火法与有限元耦合反演程序,以获得模型计算参数;最后进行抛石挤淤后防波堤基础下卧淤泥质软黏土的变形数值计算分析。结果表明,非定常西原黏弹塑性流变模型适宜于表达淤泥质软黏土的本构关系;模拟退火全局优化算法与有限元耦合反演模型计算参数的效果好,适用于沉降数值计算分析。本文为抛石挤淤后防波堤基础沉降预测和控制提供了数值计算方法参考。     

考虑流变特性的隧道围岩变形效应分析

为了探讨考虑流变效应情况下隧道围岩和衬砌的变形情况,从而进一步确定隧道的合理衬砌时机。首先,分析围岩的流变特性对隧道变形和衬砌抗力的影响,通过理论推导得到了同时考虑黏弹塑性的隧道围岩变形计算公式,该公式包含时间参数,可确定达到不同衬砌位移及围岩位移所需要的时间。然后,以南龙铁路隧道工程为背景,针对隧道拱顶下沉、周边收敛、围岩压力和初衬内力,开展隧道二衬合理支护时机的监测分析,得到围岩变形计算公式中的待定系数,并确定隧道衬砌的合理支护时机。将得到的结果与现场监测的结果进行对比,发现二者得到的二衬支护时机基本相同,从而验证计算结果的正确性。     

石灰石粉对水泥-粉煤灰砂浆流变行为影响的研究

采用RHEOLAB QC型旋转黏度计研究石灰石粉对水泥-粉煤灰砂浆流变性能的影响,并采用Bingham流体模型拟合了所测浆体的屈服应力和塑性黏度,采用POWER LAW流体模型拟合所测浆体的流变指数。研究结果表明:在水泥砂浆中分别掺入石灰石粉和粉煤灰后,显著降低了砂浆的屈服应力,改变了砂浆的塑性黏度,增大了砂浆的流变指数,降低了砂浆剪切变稀的程度,改善了砂浆的工作性。水泥-粉煤灰砂浆中,随着石灰石粉掺量的增加,砂浆的屈服应力和塑性黏度均增大,当石灰石粉掺量不大于14%时,砂浆的屈服应力增大不显著,当石灰石粉掺量低于8%时,砂浆的塑性黏度增大不明显。当石灰石粉掺量大于22%以后,砂浆流变指数降低,砂浆剪切变稀的程度增大。石灰石粉的密实填充、形状尺寸、比表面积和浆体体积等四大效应是造成砂浆流变性能变化的重要原因。     

有机化蒙脱土改性生物沥青的流变性能研究

为探究生物油改性效果及改善生物沥青的性能表现,采用生物油和有机化蒙脱土为原料,分别制备生物沥青和有机化蒙脱土改性生物沥青,利用流变性能试验、布氏黏度试验和多应力蠕变性能试验,揭示生物油和有机化蒙脱土对沥青的改性机理。研究结果表明:生物油与石油沥青具有良好的相容性,生物油改性后生物沥青的高温抗永久变形能力和低温抗裂性能较好,黏度稍有提高;有机化蒙脱土可形成独特的片层结构吸收沥青组分,沥青中重组分含量增加,掺加有机化蒙脱土后,改性生物沥青高温抗永久变形能力进一步改善,黏度提升效果显著,达基质沥青的2倍以上,但低温性能受到影响。     

黄土路基工后沉降预测模型对比研究

工后沉降是造成路基沉降变形的主要原因,研究路基工后沉降的规律并预测最终沉降量对工程设计具有重要意义.利用兰武二线黄土路基工后沉降的长期观测数据,提出一种新的分析预测模型--似固结模型,并与泊松模型、指数模型、对数模型、双曲线模型的预测结果进行对比分析.结果表明:双曲线模型与似固结模型的误差平方和与预测曲线的误差均较小,能较好地反映黄土路基工后沉降的规律,两者相互印证,提高了工后沉降预测的可靠度.利用各种预测模型对不同测点工后沉降进行预测分析后的对比研究表明,似固结模型对黄土路基工后沉降的预测有较广泛的适用性,研究结论对于黄土地区铁路建设具有一定的借鉴意义.     

液压模型在铁路T梁预制施工中的应用

结合工程实际情况,主要从模型设计理念的对比、生产周转时间的对比、占用设备资源的对比、占用劳动力资源的对比等4个主要方面,就新型液压模型和传统模型两种不同的方案进行了分析;阐述了新型液压模型,无论在模型制造成本、施工技术、生产周期、资源合理利用等方面都得到了较大提高,是铁路T梁生产上的一次革新。     

列车竖向荷载下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构受力特性试验研究

采用1∶1足尺模型对列车竖向静荷载作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构受力特性进行试验,并对CRTSⅡ型板式无砟轨道梁板和梁体理论分析模型进行验证。按实际工艺在实验室内建造一段CRTSⅡ型板式无砟轨道,通过试验机和分配梁模拟同一转向架2个轮对的竖向荷载,利用应变片、应变计、压力盒和位移计等测试元件,对钢轨、轨道板、水泥乳化沥青砂浆和底座的受力与变形进行测试。根据无砟轨道梁板和梁体理论,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道结构有限元分析模型,对轨道结构在相同荷载工况下的受力与变形进行理论分析。将试验结果与计算结果进行对比,验证CRTSⅡ型板式无砟轨道梁板和梁体理论模型的正确性和适应性。