隧道围岩分级的距离判别分析模型及应用

隧道围岩的分级是隧道工程中的一项重要研究工作.将距离判别分析方法应用于隧道围岩分级问题中,建立隧道围岩分级的距离判别分析模型,选用岩石等级、风化程度、岩体弹性纵波波速、岩体结构、地质构造影响程度、节理裂隙发育程度和地下水情况7项指标作为距离判别分析模型的判别因子,以工程岩体实测数据作为学习样本进行训练,建立相应判别函数对待判样本进行分级,并利用回代估计方法进行检验.并将建立的模型运用到实际隧道工程的围岩分级判别中.研究结果表明距离判别分析模型分级性能良好,预测精度高,回代估计的误判率很低,是隧道围岩分级的一种有效方法,可以在实际工程中进行推广.     

岩体节理及岩块力学参数对TBM净掘进速率的影响

为研究岩体节理及岩块力学参数对TBM净掘进速率的影响,采用离散元法分析岩体节理倾角和间距对TBM净掘进速率的影响。结合施工现场统计资料,研究岩块力学参数与TBM净掘进速率相对关系。结果表明：(1)当其他条件不变,节理倾角在0°～60°时,TBM净掘进速率随节理倾角增大而加快;而当节理倾角在60°～90°时,TBM净掘进速率随倾角增大而降低。(2)一定范围内,节理面发育程度越高,节理组数越多,TBM净掘进速率越高。(3)TBM净掘进速率随岩石单轴抗压强度和弹性模量增大而减小,随泊松比增大而提高。本文得出一系列有意义的拟合曲线,可为定量分析TBM净掘进速率与岩体节理及岩块力学参数之间关系提供依据。     

围岩快速分级和松动圈测试应用研究

吉图珲客运专线小盘岭1#~3#隧道施工,遇到碳化泥质板岩地层,由于其岩质软、节理发育、岩体破碎,围岩稳定性极差,多次发生塌方、换拱等问题。为保证隧道安全快速施工,现场采用非金属声波测试技术对围岩进行施工期快速分级和松动圈厚度确定,为隧道动态设计和信息化施工提供有力保障。(1)声波测试结果分析表明,该隧道碳化泥质板岩松动圈厚度范围在4.90~6.16 m之间;左拱腰、拱顶和右拱腰位置松动圈厚度均值分别为5.91 m、5.35 m和5.19 m。(2)围岩饱和单轴抗压强度为20.6 MPa,属于软质岩;松动圈内围岩波速平均值为1.29 km/s;松动圈外围岩波速平均值为2.06 km/s。综合判定小盘岭隧道弱~强风化碳化泥质板岩围岩等级为Ⅴ级,与现场调查结果基本一致。基于测试结果对隧道支护锚杆和注浆长度进行优化,工程实践表明优化后的锚杆支护和注浆加固效果明显。     

不同节理倾角砂岩卸围压力学破坏特性试验研究

经历漫长地质构造后,岩体内存在大量的节理,而充分认识节理岩体卸荷力学行为对保障地下工程安全开挖具有重要的理论价值。因此,通过对预制节理砂岩试样开展卸围压试验,分析节理倾角对砂岩强度和变形破坏特性及声发射特征的影响规律。结果表明,卸围压对节理砂岩试样峰前应力-应变曲线特征影响较小,导致峰后的残余强度消失;节理砂岩试样卸围压峰值强度较常规三轴压缩低,且随节理倾角的变化规律相同;在倾角θ=40°时出现异常,主要是节理存在导致剪切裂纹向节理偏移。压密阶段声发射事件随节理倾角增大越来越不明显,而进入塑性段节理倾角对声发射特征影响较大。峰后声发射事件缓慢增加,主要是卸围压导致侧向做负功,一定程度上降低了弹性应变能释放的剧烈程度。     

真三轴压缩下石英云母片岩力学特性研究

石英云母片岩是深部地下工程中常见的一种层状岩石，许多地下工程灾害的发生都与其失稳破坏有关。为探明其力学性质，为深部地下隧道(洞)建设提供依据，对不同加载角度下新鲜不含石英脉、风化含石英脉、风化不含石英脉3种石英云母片岩进行真三轴压缩试验，结合声发射监测手段研究片理、风化程度、石英脉对其力学性质的影响。试验结果表明：3种石英云母片岩的强度、特征应力和弹性模量随β角(最大主应力方向与片理的夹角)增加呈先减小后增大趋势；新鲜无石英脉试样的强度、特征应力和弹性模量最高，风化含石英脉试样次之，风化不含石英脉试样最低。根据室内试验结果，总结了石英云母片岩等层状岩体隧道(洞)施工过程中应注意的开挖与支护问题和具体应对措施。     

单向非贯通节理岩体滚刀破岩 特性离散元模拟

相较于贯通节理,岩桥的存在使非贯通节理岩体受力破坏过程更加复杂。为探明其对破岩影响,通过采 用 PFC2D建立单向非贯通节理岩体滚刀破岩离散元模型,研究岩桥长度和倾角对岩体破碎模式、法向力、裂纹数 量及比能耗等参数的影响,揭示非贯通节理岩体滚刀破岩特性。研究发现：岩体以张拉破坏为主,节理对裂 纹扩展的“导向作用”明显,裂纹扩展方向总是趋向于和其距离最近的节理;竖向应力水平随节理倾角增加呈现 先增大后减小的趋势,在 45°倾角下达到最大值,应力区形状受到节理位置影响,两者具有一致性;完整岩体法 向力均值和峰值均大于节理岩体,节理对于破岩过程具有明显的促进作用;0°、60°、90°节理倾角下的比能耗值 明显低于其他节理组合,60°倾角下呈减小趋势,在岩桥长度为 25 mm 时取得最小值;0°、90°倾角下呈先减小后 增大趋势,在岩桥长度为 15 mm 时取得最小值。     

黑色岩体边坡破坏的内在机理研究

研究目的:贵广线桂林段沿线由黑色岩层构成的岩体边坡在外界环境作用下,较容易发生失稳破坏,对该铁路的设计运营均会带来不良影响.因此通过对黑色岩体边坡破坏的内在机理进行研究,从而为将来该类型边坡的治理提供理论依据.研究结论:指出黑色岩体边坡产生风化破坏的条件为边坡岩体节理裂隙发育、存在地表水流和一定含量的黄铁矿.研究发现黄铁矿氧化作用产生的酸性水是引起黑色岩体边坡破坏的主要因素,该化学作用可造成岩体内部孔隙空间变大、物质成分溶解流失及岩体结构面颗粒间摩擦力的减弱.通过对黑色岩层边坡破坏的内在机理研究,建议今后对该类边坡的治理应从酸性水产生的根本着手,即采取一些遏制黄铁矿风化氧化及物质成分蚀变方面的工程措施.     

日照地区花岗岩风化带工程特性研究

日照地区广泛分布晋宁期片麻状花岗岩及燕山期二长花岗岩。在分析以往研究成果的基础上,对日照地区花岗岩风化带进行分类,并研究其全、强风化带地基的工程特性。砂土状的全-强风化带具有与土质地基相似的特性,从结构、颗粒组成都可划分为土层或砂层;开挖易受扰动,在水的作用下承载能力急剧下降,施加工程荷载后,承载力难以恢复;风化岩仍残存原岩中的结构、节理特征,易形成影响边坡稳定性的软弱结构面;块状强风化带性质与岩体相似,受开挖和地下水影响较小。在设计与施工时应考虑残余节理裂隙对边坡稳定性的影响。对于砂土状全-强风化带,勘察中应考虑场地地下水的软化作用,在风化带分层以及承载力值推荐时作适当调整。     

风化板岩水理特性研究

针以衡炎高速公路全风化、强风化、中风化和弱风化板岩为研究对象,通过崩解特性试验、软化试验、无侧限压缩试验、剪切渗透性试验,系统研究板岩受水影响的水理特性.研究表明:水理性能由强到弱的排序为:弱风化板岩,中风化板岩,强风化板岩,强风化板岩;板岩具备强烈崩解特性;崩解指数与风化程度直接相关,程度越高.崩解越强烈.板岩越干燥,崩解效应越明显,大旱后突降雨,会导致板岩的强烈崩解,很容易诱发滑坡.     

采用光滑节理模型的单节理岩体数值试验

基于光滑节理模型,用颗粒流程序对完整岩石和单节理岩体进行数值试验。光滑节理模型的选用避免了标准接触模型中节理面颗粒间的"颠簸"效应。数值模型中选取的细观参数与室内试验获得的岩样宏观参数一致。数值试验与室内试验分析结果表明,节理面的存在降低了岩石的抗压强度;岩体的抗压强度随着节理倾角的改变而改变,随着节理倾角的增大,岩体的强度先降低随后增大;当节理面与潜在破坏面的方向相近时,岩体受压破坏沿节理面发生,当节理面倾角θp=45°+φs/2时,岩体强度下降得最多。随着围压的增大,节理岩体的强度显著提高。数值试验与室内试验结果对比表明,基于光滑节理模型的数值试验结果较为可靠,可以进一步推广应用于等效岩体分析。     

单节理岩体强度试验研究

从理论和经验两方面阐述单节理岩体的强度特征及其确定方法,结合实际的隧道工程岩体,对加工制备的5组完整岩石和含单节理岩石样品进行室内轴向压缩强度试验,应用基于细观离散的三维颗粒流程序PFC3D仿真室内试验结果,从而确定出数值试验中相应岩石和节理的基本细观输入参数。在此基础上,通过对实际工程进行地质调查构建节理岩体结构的理想地质模型,输入岩石与节理的基本细观参数,实现对大尺度单节理岩体进行数值预测的强度试验,并获得实际工程岩体的应力—应变关系及相关的强度特征。试验研究表明:节理的存在降低岩体的强度,改变岩体的延性;岩体中同组的不同节理间存在相互的强度弱化作用,作用的结果导致岩体的总体强度下降,因此简单地分步应用单节理理论预测含多节理的岩体强度是不可行的;基于岩体结构,应用室内试验与数值试验相结合确定大型节理岩体强度的方法是可行的。     

节理倾角及组数对铁路隧道围岩稳定性的影响

我国西南地区崇山峻岭、地质构造条件复杂多变,岩体内部节理、片理、层理发育。隧道穿越节理发育围岩时,极易引发围岩大变形、掌子面失稳坍塌、钢架变形扭曲、初支掉块和二次衬砌开裂等工程灾害。为了分析节理对隧道围岩稳定性的影响规律,依托玉磨铁路西双版纳隧道,利用ABAQUS建立计算分析模型,得到不同节理条件下围岩塑性破坏特征。(1)节理对称分布时,节理屈服、围岩塑性应变呈现出对称分布于拱部、两侧拱肩和仰拱两侧区域的特点。(2)节理倾角较陡时,岩体性质是影响主控因素;节理倾角较平缓时,围岩发生沿节理面的剪切滑移破坏,节理是围岩整体发生塑性破坏的主控因素;当节理倾角为60°或120°时,围岩的塑性应变最大,最大塑性应变为0.197。(3)当节理倾角为90°时,围岩及节理屈服区域主要沿着节理方向垂向分布,且影响范围深入地层中。(4)2组节理条件下造成围岩塑性破坏的主要原因是节理面的塑性屈服;当节理倾角组合为60°+90°时,围岩的塑性应变最大,最大塑性应变为0.521。     

易碎岩层原位剪切强度参数获取方法研究

研究目的:工程实践中常遇到全/强风化岩体、受构造影响强烈的破碎岩体和软质岩等无法取心的易碎岩层,难以测取岩层强度参数,急需发展适合此类易碎、难取心岩层力学参数的原位测试方法。研究结论:(1)梳理了岩土体钻孔原位剪切技术要点,根据岩土体原位剪切技术及装备的压力范围和适用场景,提出了易碎岩层强度参数获取方法和步骤;(2)根据岩石软硬程度、风化程度和岩体破碎程度,按就低原则给出不同情况下易碎岩层强度参数获取适用的钻孔原位剪切技术及装备选取建议;(3)在强风化花岗岩、节理裂隙发育的白云岩以及受构造影响严重的花岗岩等典型易碎岩层中进行了应用,获取的岩体参数与经验取值或规范建议范围较为符合;(4)本研究成果可为其他易碎地层原位参数的获取提供参考。     

地震作用下不同风化程度时边坡响应分析

通过对不同风化层覆盖条件下不同形式边坡地震动力响应分析,探明在地震作用下不同风化程度的边坡位移、应力分布特征较之均质岩体出现明显不同。位移及应力云图不再有明显的分层特征,应力分布出现相互叠交现象,随着风化程度的逐渐减弱,各风化层面上的剪应力及主应力量值逐渐增大。相对于单面坡而言,孤立边坡的位移、应力量值明显增大,处于更为不利的状态。     

基于遍布节理模型的顺层边坡稳定性影响因素分析

在应力作用下,层状岩体表现出相对于均质各向同性的岩体更为复杂的力学行为,针对该种岩层采用目前广泛使用的各向同性本构模型在受力行为及变形破坏的机理上会造成较大的误差,以成都至兰州高速铁路某隧道洞口段边坡工程为研究背景,采用FLAC~(3D)自带遍布节理模型(ubiquitous-joint模型)描述层状岩体的各向异性特征,对岩体及节理面的稳定性影响参数进行强度折减并分析其与边坡安全系数的关系。结果表明:边坡的整体安全系数F随节理面倾角呈先减小后增大再减小的趋势;岩体与节理面的黏聚力、内摩擦角的相对值大小影响边坡安全系数的变化规律,而与绝对值大小无关,并且均在安全系数最低的30°倾角表现更高的敏感性,层状岩体的剪胀性对边坡安全系数的影响与节理模型的范围和岩体与节理面的内摩擦角相对值有关。     

不同掏槽孔角度下节理岩体隧道爆破效果研究

为探明节理岩体隧道中掏槽孔角度对掏槽爆破效果的影响,以节理裂隙发育严重的下寮隧道为工程依托,理论分析掏槽孔角度对掏槽爆破效果的影响,并列举选用掏槽孔角度常见的两种方法,最后结合数值模拟软件对掏槽孔角度分别为60°与70°的两种隧道模型进行数值仿真计算,量化分析两种模型的损伤面积与峰值有效应力,并基于结果选用合适的掏槽孔角度。结果表明：节理裂隙的存在会改变应力波的传播方向和能量分布,影响爆破效果;在Ⅴ级围岩中,70°的掏槽孔平均峰值有效应力是60°的1.36倍,爆破损伤范围比60°大且分布连续,选用70°的掏槽孔有利于提高隧道掘进效率。     

软弱地层敞开式TBM大规模塌方成因及处理措施研究

综合应用TSP地震波检测、CFC超前探水和现场岩石的点荷载试验等多种手段,对新疆某引水隧洞敞开式TBM穿越软弱地层发生的大塌方原因进行综合分析,认为绢云母片岩和黑云母石英片岩在刀盘切削作用和震动影响下沿节理面和裂隙面岩层松动、错落,导致围岩大面积失稳坍塌。针对敞开式TB M穿越软弱围岩大塌方的成因,提出松散岩体初步加固,强化初期支护体系,建立喷射混凝土作业平台,建立刀盘覆盖层,塌方空腔回填的完整综合处理措施。敞开式TBM穿越软弱围岩大塌方段的空腔内部施作拱顶"保护壳"的处置技术,充分利用腔体内部空间,提高了拱顶保护壳的施工效率,成功指导了塌方段的处理和后续段的安全施工,可为类似工程提供参考。     

经历剪切变形历史的岩石节理表面形貌变化

采用巴西劈裂法制成四组不同岩性的人工节理面,利用RYL–600岩石剪切流变仪对节理进行不同垂直压应力下的剪切试验,并运用TALYSURF CLI 2000扫描仪在每次剪切前后对节理面进行扫描,计算多个描述节理面形貌特征的三维参数值,通过三维参数值的变化定量分析节理面细观形貌的变化。研究结果表明:节理面抗剪强度的变化与节理面形貌变化有紧密联系,经历四次剪切作用后,节理面整体高度略微降低,各点间的高差缩小;峰点密度减小,节理面的凹凸程度降低;节理表面形态的各向异性程度降低,节理面整体的倾斜程度降低;对于节理面的同一变化,不同参数反映的角度和变化的幅度都不同,随垂直应力的增加,各次剪切作用后节理面的形貌变化量逐渐减小,形貌趋于平整。     

不同温降速率下岩石冻融特征研究

研究目的:川藏铁路横穿青藏高原东南缘地形急变带,是迄今为止人类历史上最具挑战性的铁路建设工程之一,在高纬度、高海拔等气候恶劣的地质环境条件下,极端的气温变化极易诱发路基和边坡变形。本文通过开展3种温降速率下干燥与饱水岩石的冻融循环应变试验,研究不同温降速率下岩石的变形特征,分析单次与多次冻融周期的应变-时间曲线、干燥与饱水岩石冻融应变的对比特征以及饱水岩石的冻胀机理。研究结论:(1)干燥岩石在冻融过程中,温降速率越快,在冷缩阶段和热胀阶段微应变变化得越快,3种温降速率下的残余微应变曲线基本一致,随着冻融循环次数的增加呈线性上升趋势,冷缩变形与热胀变形也随着冻融循环次数的增加而增大;(2)饱水岩石在冻融过程中,温降速率越快,残余微应变越大,微应变曲线上升越明显,冻胀幅度与融缩幅度也相应越大,且两者随冻融次数增加的变化规律大致相同;(3)通过干燥与饱水岩石冻融应变特征的对比分析可知,温降速率是影响孔隙中水冰相变的一个重要因素,结合对不同温降速率下饱水岩石冻胀机理的分析,归结出与试验结果相吻合的变形规律;(4)本研究结果可为寒区铁路工程中岩体变形规律的认知提供参考。     

隧道围岩分级特征智能识别及可视化研究

准确、快速获取隧道围岩级别对工程设计、施工及运营意义重大。结合多个四川高速公路隧道项目,共采集7 000余张隧道掌子面图像,并利用数据增广方法将数据集扩充至20 000余张。按节理裂隙特征、风化卸荷情况、地下水发育情况3种像特征对数据集进行分类标注,并按8:2的比例划分为训练集与验证集。结合深度学习方法,实现掌子面围岩分级特征参数提取识别。搭建了VGG系列、ResNet系列、DenseNet系列、GoogleNet、InceptionV3等卷积神经网络分类模型,并引入准确率、查准率、召回率及F1值等多种评价指标对比分析多种卷积神经网络分类模型的围岩特征(掌子面图像的节理裂隙特征、风化卸荷特征以及地下水发育特征)识别效果。研究结果显示基于DenseNet模型分类识别效果最好,分类准确率分别为：围岩节理裂隙特征87.5%,风化程度特征90%,地下水发育程度特征91.5%,且各特征的F1值均在0.789以上,最高为0.944,平均值为0.852。此外,对DenseNet系列分类模型进行可靠性验证,基于CAM以及Grad-CAM对模型进行分类决策可视化研究分析,分类决策热力图结果显示分类结果与...