有限单元法在人工冻土冻胀数学模型分析中的应用

建立了冻土中的热传导模型.在计算冻胀时,利用水分入流量和时间关系计算水分迁移引起的冻胀应变;利用已冻土中未冻含水量和温度关系,求原位水的冻胀应变,将冻结引起的体积膨胀系数作为负的热膨胀系数.利用MARC程序中热应力的计算程序计算外界迁移水和原位水的冻胀位移;两项位移之和为总冻胀位移,并利用冻胀率和荷载的实验公式来考虑荷载对冻胀的影响.采用有限单元法对二维水平冻结模型进行了数学模型分析.通过验证,证明所提出的有限元模型及相关参数,可以结合有限元计算软件用于计算冻土中的冻胀量,分析其在外界荷载作用下对环境的影响.     

基于损伤扩容理论的圆形隧洞围岩松动圈位移计算方法

为解决传统弹塑性力学理论在计算时未考虑实际围岩卸载时的扩容效应导致的位移设计值预测误差较大的问题,通过考虑不同应力状态下围岩损伤扩容系数的不同,建立圆形隧洞开挖松弛位移的分层总和法理论计算方法,提出以洞壁处围岩损伤扩容状态为控制值的围岩开挖位移预警值计算方法。结合分水江引水隧洞工程实例,对不同围岩级别、不同埋深、洞壁围岩的不同扩容效应（即不同支护状态）时圆形隧洞开挖后洞壁围岩位移变化规律进行分析,提出以圆形隧洞为基础的围岩预警值理论计算经验公式。由实际应用结果表明： 考虑扩容效应的围压位移分层总和法计算值比弹塑性理论计算值大3倍以上,计算结果更符合实际情况。     

考虑围岩应变强化及扩容的深埋软岩隧洞时变位移解

为描述深埋软岩隧洞围岩时变位移受岩石应变强化与扩容协同影响的复杂力学过程,假设岩体为符合Burgers体与Drucker-Prager屈服准则组合的黏弹塑性模型,在考虑应变强化及扩容效应影响的初始应力场下,推导得到深埋软岩隧洞的黏弹塑性时变位移解析解并进行分析。结果表明:该解析解能较好地描述软岩隧洞蠕变位移受岩体应变强化和扩容的影响。随着幂强化指数或剪胀角的增大,隧洞围岩的时效变形逐渐增大,且发展变快。隧洞围岩在应变强化和扩容效应的共同影响下,幂强化指数与剪胀角越大,其位移越敏感,且幂强化指数对围岩位移的敏感性更高。为验证该解析解的实用价值,与工程实测数据进行对比,结果显示计算值与实测值吻合较好,表明该解析解对深埋软岩隧洞时变位移预测具有一定的借鉴意义。     

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。     

某高速公路的过水隧洞衬砌结构稳定性研究

某高速公路的过水隧洞围岩稳定性差,且围岩内部富含地下水。该文对过水隧洞衬砌进行了设计,针对过水隧洞施工期和运营期结构受力特点,采用荷载结构法对衬砌进行了计算,分别探讨了隧洞内部无过水压力和内部有过水压力两种情况下隧洞衬砌的稳定性。研究表明:无论是施工期还是运营期,隧洞衬砌均是稳定的,且运营期隧洞衬砌位移及应力要比施工期小。     

考虑相变过程岩体孔隙率对寒区隧道温度场时空规律影响研究

为研究寒区隧道围岩在持续低温作用或冻融循环作用过程中,考虑岩体相变过程中多相体各组分变化引起的岩石热学参数差异对围岩温度场时空变化规律的影响,利用已有岩体未冻水含量研究成果,进一步推导不同孔隙率下岩体的热学参数计算公式。基于多孔介质模型建立考虑相变过程的围岩温度场计算模型,分析考虑潜热时不同孔隙率下围岩冻结缘的空间形态变化规律,及相变过程对温度场的影响。研究结果表明： 1）饱和岩体孔隙率越高,对岩体整体热学参数影响越大; 2）低温持续作用围岩时,冻结缘向围岩深处移动并不断变宽,其宽度与其深度呈线性关系; 3）饱和围岩孔隙率对冻结缘移动速度影响较大,但对其宽度基本无影响; 4）由于相变潜热,岩体在冻融循环过程中围岩温度时程曲线出现不对称阶梯状形态,且其阶梯形状宽度与围岩孔隙率呈正相关; 5）冻融循环过程中,升温及降温过程中冻结缘临近岩体温度梯度存在差异引起的传热效率不同直接导致升温、降温时程曲线的不对称性特征出现; 6）沿硐室围岩径向向外,各处围岩体的温度时程函数与加载的温度函数存在着振幅衰减和相位滞后的现象,且岩体孔隙率越高该现象越明显。     

深埋高地应力水工隧洞地应力特征及岩爆脆性破坏深度预测研究

为解决高地应力情况下水工隧洞开挖时产生的岩爆问题,以新疆某高埋深水工隧洞为依托,并结合现场水压致裂法和钻孔套芯解除法测试获得的地应力数据。研究深埋引水隧洞区域地应力场分布规律,通过强度理论判断岩爆发生的可能性;在考虑高地应力与围岩开挖二次应力状态作用前提下,通过岩爆破坏区深度理论公式,结合现场数据计算出岩爆破坏深度。结果表明： 1）隧洞处平均初始地应力应力基本在23 MPa左右,最大水平主应力为28.6 MPa,属于高地应力隧洞; 2）三向主应力间的总体关系为σH（最大水平应力）>σZ（自重应力）>σh（最小水平应力）,属于σHZ（走滑型）初始地应力场,以水平构造应力为主导; 3）隧洞最大主应力与最小主应力之间差值较大,依据摩尔-库仑准则,表明该隧洞开挖的临空面会存在较大的剪应力,易引起隧洞发生岩爆; 4）在隧洞开挖过程中,隧洞将会发生中—强等级的岩爆,发生岩爆脆性破坏最大深度为0.68 m。     

基于位移释放系数的深埋圆形压力隧道力学行为的解析解

为解决含有孔隙水的可渗透岩层中隧道围岩的力学行为，采用复变函数法与Biot孔隙弹性理论相结合的方法，建立了一个基于位移释放系数的可渗透深埋圆形压力隧道的应力和位移的解析模型。根据应力应变本构方程及平面应变协调方程导出了应力函数的非齐次双调和方程。选取计算参数进行算例计算，并将计算结果与商业有限元软件的计算结果进行对比，两者基本一致。通过选取不同的隧道参数及远场应力比进行敏感性分析，发现隧道在软衬砌和硬衬砌条件下会产生较大差异的力学行为。位移释放系数和孔隙压力对围岩中的环向应力和径向应力有显著的影响。     

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀力演化规律研究

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀演化机制是影响其运营安全的关键科学问题。为探究冻结圈围岩的冻胀力演化规律,开展含水围岩低温冻结作用下三维地质力学缩尺模型试验；采用环境冷气进入洞内降温的方式,模拟隧道洞口段围岩温度场分布特征；利用微型压力传感器对含水围岩在低温冻结过程中的冻胀力进行实时动态监测,以获取不同含水率和冻结圈厚度围岩下的冻胀力时空演化曲线。采用多元回归分析方法,建立围岩冻胀率、冻结圈厚度与含水率等参数的拟合计算式；据此建立平面应变状态下考虑围岩含水率和围岩比重指标的冻结圈围岩冻胀力理论解。采用热应力方法模拟冻胀力演化特征,对冻胀力的理论计算值和模型试验测试值进行对比分析,进一步验证试验方法和理论解的合理性。研究结果表明：围岩温度场呈三阶段变化特征以及类似带柄状“正勺”形状分布规律；含水围岩温度场的下降阶段呈非线性分布特征；围岩温度表现出滞后于环境温度变化的趋势。不同含水率和冻结圈厚度下的冻胀力演化规律曲线形态类似,表现为孕育-发展-稳定变化特征。冻胀力理论解与现场实测数值偏差19.7%,与数值解、试验值偏差均在0~20%之间,所提出的冻胀力理论计算方法可为围岩含水率为0~60%范围和冻结圈厚度为0~8.0 m范围冻胀力取值提供参考。研究结论可为寒区富水隧道冻结圈围岩的冻胀力设计及预测研究提供支持。     

偏桥水电站引水隧洞施工全过程离散单元法仿真模拟研究

偏桥水电站引水隧洞K2＋010～+310地段位于节理发育岩体中,隧洞开挖后因没能及时支护引起岩体过度松弛,产生大量掉块现象。为保证隧洞的稳定性及基于工期的考虑,对该段隧洞的支护结构进行了优化设计,并采用国际广泛应用的离散单元法程序UDEC对该引水隧洞施工运营全过程进行了仿真模拟,探明了隧洞施工各阶段围岩内应力和位移分布,对支护结构优化设计进行了评估。同时,探讨了隧洞施工和运营全过程的离散单元法仿真技术。     

路基施工对下埋引水隧洞受力特征的影响

以某高速公路路基施工为对象,采用数值方法研究了不同工况下,填方加载、挖方卸载对既有引水隧洞的不利影响,获取了隧洞的力学特征,对比分析了填方加载后隧洞的三种加固方案,即内衬钢板、灌浆固结、灌注桩+系梁。结果表明:内衬钢板方案加固效果好,经济合理灌浆固结对软岩加固效果不佳;灌注桩+系梁框架结构将承担部分上部荷载,加固后隧洞应力值减小约50%。深挖卸载将导致隧洞底板最大拉应力由点至面分布,但应力最大值与开挖前几乎一致。最后,计算了深挖路堑爆破药量及安全距离。     

隐伏溶洞对连拱隧道中隔墙力学特性影响研究

通过有限元方法,研究了岩溶地区隐伏溶洞存在的连拱隧道区段开挖施工过程中,埋深对中隔墙和围岩的应力、位移的影响,进而推导了中隔墙适用长度的公式。研究结果表明:(1)拉应力主要集中在中隔墙底部位置,压应力集中在中隔墙中间位置,随隧道埋深的增加,其大、小主应力均呈线性增加;(2)随埋深增加,围岩水平位移与竖向位移均增加,且变化率逐渐增大,其水平位移集中在左、右洞拱肩及拱腰处,竖向位移集中在拱底及拱顶处;(3)建议使用强度判据对连拱隧道进行稳定性判断,且中隔墙的极限长度为60/tanα(m)。     

公路隧道爆破对邻近引水隧洞振动响应的分析与实测研究

岳西—武汉高速公路安徽段明堂山隧道下穿横河二级电站的一条引水隧洞,引水隧洞与左线和右线的最小距离为12.4~14.8 m,地质条件为中风化花岗片麻岩Ⅲ级围岩。为保证隧道近距离爆破施工下穿引水隧洞的安全和稳定,采用动力分析软件LS-DYNA建立三维有限元模型,模拟隧道开挖爆破对引水隧洞的振动影响,并在引水隧洞内布置3个爆破监测点,将数值计算结果和现场监测数据进行对比分析。计算结果表明,在均匀介质模型里,质点振动速度与质点到爆源的距离成衰减关系,爆破对引水隧洞的振速影响控制在5 cm/s以内,其中拱脚影响最大,边墙和拱顶次之,拱腰最小。实测结果与计算规律基本一致,爆破后节点振速很快达到最大,并随时间的增加快速衰减,500 ms后振动波基本消散。研究表明实际爆破采用的炸药当量和爆破方式合理,未对引水隧洞结构安全造成明显影响。     

硫酸盐渍土水-盐-热-力四场耦合理论模型

针对硫酸盐渍土盐胀过程中较为欠缺的四场耦合理论,在已有的冻土三场耦合模型的基础上,建立了盐渍土水-盐-热-力四场耦合动力学模型。首先,基于水动力学模型和质量守恒定律,在水分场方程和盐分场方程中分别引入等效含水量和等效含盐量的概念,以此为耦合因子简化了水-盐-热耦合模型,不仅考虑了溶质扩散及水动力弥散的作用,还考虑了结晶盐-盐溶液相变(化学反应)对盐分迁移,以及结晶盐相变潜热对温度场的影响。其次,根据能量守恒定律,增加结晶盐的相变潜热,使温度场方程更符合工程实际情况。同时,在建立应力场方程时,盐胀部分由溶质的摩尔质量差进行计算,冻胀部分由原土中的部分水加上迁移来的水减去硫酸钠结晶所需要的水进行计算,从而推导出了应力与水分迁移、盐分迁移以及温度的关系,完善了盐渍土四场耦合理论。最后运用该理论模型,计算分析了新疆某公路盐渍土路基的盐冻胀变形过程。结果表明:计算所得地温规律、盐分迁移规律和盐冻胀规律与实测结果基本一致,计算与实测结果均表明,从秋末至来年春季,硫酸盐渍土路基经历了降温到升温的温度剧烈变化阶段,此阶段路基的变形过程可分为平稳区、缓慢盐冻胀区、剧烈盐冻胀区、盐冻胀变形滞后区、缓慢沉降区、剧烈沉降区6个部分。     

隧道洞口浅埋偏压段施工性态数值模拟分析

针对渝湘高速公路斑竹林隧道软弱围岩洞口浅埋偏压段施工难题,采用数值模拟手段对施工过程进行计算分析.分析计算结果,得出主要结论:水平方向的围岩变位相对比较大,可能大于隧道围岩竖向位移;右隧道(埋深大)围岩拱顶特征点处竖向位移大于左隧道,围岩位移值最大值达到22.63 mm,发生在开挖时左隧道右边墙处.结合现场监控量测成果分析,证实了数值分析的正确性.基本掌握了山岭隧道洞口浅埋偏压段围岩和衬砌的变形、应力变化特征,认为该类型隧道围岩变位是隧道施工过程中需要控制的关键性因素.     

深埋地铁车站通风井漏渣法施工过程分析

为了了解在建重庆市轨道交通10号线红土地车站通风井施工过程中围岩受力和位移变化情况,利用Midas-GTS(NX)建立超深地铁车站通风结构-风井和通风道交叉段三维有限元计算模型,分析风井漏渣法施工对风井和通风道交叉段围岩稳定性的影响。分析结果表明,漏渣竖井的开挖对交叉段隧道围岩的位移和支护结构的应力有较大影响,施工过程中应加强监测,避免拱脚和拱肩出现挤压破坏以及隧底出现拉裂破坏。     

软岩大断面隧道施工数值模拟与监控量测对比分析

隧道在开挖过程中的稳定性受到众多因素影响,其中软弱围岩大断面隧道尤为突出。文中以某隧道工程为依托,采用FLAC3D有限元软件分别建立隧道在围岩等级、埋深等不同工况下的施工阶段模型,得出位移云图、应力云图及塑性云图,通过对计算结果整理分析,根据隧道开挖步所对应的位移量作出位移-时间关系曲线及拟合回归曲线,并对比实际监测数据总结得到软弱围岩大断面隧道在施工过程中的变形特征和变形规律,确定合理二衬施作时间。     

基于非对称建筑荷载作用的小净距离隧道施工方案研究

为确定非对称建筑荷载作用下的小净距离隧道的合理施工方法,以某城市非对称建筑荷载作用下的公路隧道为基础,考虑预留核心土弧性导坑法、CRD法两种施工方案,通过有限元分析软件ANSYS,构建二维弹塑性模型,重点分析了隧道开挖对围岩的扰动效应,包括围岩位移以及水平应力两方面。     

RJP高压旋喷法及冻结法在盾构接收端头的组合运用

为解决复杂周边环境及软弱富水地质条件下的盾构接收难题,以天津地铁5号线某车站盾构接收端头加固工程为例,提出RJP高压旋喷法+冻结法组合加固方法。结合理论计算和工程实际,给出RJP工法及冻结法的加固方案和工艺参数,并对冻土温度、地表及管线位移进行实测分析,得到如下结论： 1）同一测温孔中间位置温度低于两端,同一深度处内圈测温孔温度低于外圈,冻结壁由中间向两端、由内圈向外圈发展; 2）管线在土体冻结及解冻过程中均未发生明显位移,说明RJP工法改良土体可有效抑制冻结引起的冻胀融沉; 3）地表最大沉降17.4 mm,管线最大沉降6.2 mm,均满足位移控制要求,证明RJP工法及冻结法组合加固方案合理可行。     

川藏公路溢流型涎流冰影响因素试验与分析

涎流冰是川藏交通廊道区普遍存在的一种地质灾害。通过卫星图像判识和现场调查表明,川藏公路涎流冰以坡面溢流型为主。通过室内模拟试验分析了地形、透水层厚度、含水层厚度及渗透性等对涎流冰形成的影响。试验分析表明,负温条件下当地下水出露或地下水浅埋(一般地下水位小于冻深)时涎流冰就会形成。负地形因利于地下水汇集而更易于形成涎流冰。涎流冰形成过程中,孔隙水压力的变化具有明显的阶段性。冻结过程中冻结层逐渐封闭为整体,孔隙水压力呈先线性增长、后增长速率逐渐变缓直至稳定。地下水位越深,冻结形成涎流冰的时间越长;孔隙水压力越大,间接说明涎流冰的形成与冻深有关。含水层渗透性越好,相同条件下形成涎流冰的时间越短,形成的涎流冰规模越大,地下水孔隙水压力越高。含水层厚度越大,涎流冰规模也越大,但地下水孔隙水压力相对降低。试验结果表明,负地形、地下水浅埋、含水层厚且渗透性好,是形成大规模涎流冰的有利条件。