基于小孔扩张弹塑性理论的注浆起始劈裂压力研究

劈裂注浆技术已在众多岩土工程中成功应用,但劈裂注浆机理不明,起始劈裂注浆压力计算理论远远落后于工程实践的发展。为了揭示黏土注浆过程中起始劈裂注浆的力学机理,假定土体服从各向同性不排水条件,基于球形和柱形扩张弹塑性理论,采用应力转换方法,结合偏微分方程组的定解条件,得到2种小孔扩张问题的数值解,通过简化分析小孔扩张孔壁处土体单元的应力变化规律,建立了球形与柱形扩张弹塑性方程,并结合受拉破坏、剪切破坏以及临界状态极限破坏模型,提出黏土注浆3种起始劈裂压力解析解。解析解与数值解对比结果表明:当土体的超固结比(OCR)为2时,数值解与解析解计算扩孔压力一致,当OCR小于2(或大于2)时解析解计算扩孔压力略高于(或略低于)数值解,验证了不同超固结比下弹塑性解析解的合理性以及实用性。黏土劈裂注浆模型试验与参数分析表明:在黏土劈裂注浆过程中,先后经历土体压密、沿垂直小主应力方向产生起始劈裂以及裂缝扩展3个阶段;随着注浆压力的增大,注浆体周围土体先发生剪切破坏,随后浆液会填充剪切破坏面,再发生拉伸破坏;对比由剪切破坏、拉伸破坏以及临界状态极限破坏控制的球形和柱形扩张起始劈裂压力理论值与模型试验结果,柱形小孔扩张拉伸破坏理论方法和模型试验结果更吻合。     

盾构隧道粘度时变性浆液壁后注浆渗透扩散模型

在假定注浆浆液为粘度时变性流体,并在盾尾间隙影响厚度范围内均匀柱面扩散的前提下,应用达西定律对盾构壁后注浆渗透范围及浆液对管片造成的压力进行了理论推导,得到了浆液扩散半径及对管片产生压力的计算式.通过具体实例,对比分析了是否考虑粘度时变性2种条件下浆液扩散半径及对管片产生压力的计算结果,以及不同胶凝时间下浆液扩散半径及对管片产生压力的计算结果.分析结果表明:2种条件下,浆液扩散半径及对管片产生的压力随注浆压力、注浆时间的变化规律不尽相同,粘度时变性对浆液扩散半径及对管片产生的压力影响显著,可通过调整浆液配比来改变粘度时变性,进而影响浆液扩散半径及对管片产生的压力,但浆液对单位面积管片的压力几乎不受粘度时变性的影响.     

破碎泥质岩隧道滞后形变与衬砌刚度关系规律试验研究

为了解破碎泥质岩隧道滞后变形与衬砌刚度的关系,以云桂铁路小寨隧道工程为依托,通过室内模型试验对小寨隧道实际开挖、支护及支护完成后围岩的劣化过程进行模拟,对围岩劣化过程中二次衬砌的围岩压力、位移及内力的变化规律进行研究。研究结果表明： 衬砌刚度对于控制泥质岩隧道滞后变形有着重要的影响; 二次衬砌的刚度越大,其承受的围岩压力及内力越大,则最大弯矩越大,容易出现开裂;针对小寨隧道的实际情况,30 cm的初期支护+I25b型钢钢架+40 cm的C35钢架混凝土二次衬砌是较优的支护结构设置。     

砂性地层盾构隧道壁后注浆浆液扩散室内试验

为了探明盾构隧道壁后注浆浆液扩散机理,基于对壁后注浆过程的分析,设计由试验模型箱、注浆系统、浆液配制系统、测试及数据处理系统组成的模型试验系统,试验前首先对水泥浆液的特性进行测试,然后通过该模型试验系统分别对3种不同级配的砂样地层（对应不同分维数）进行牛顿流体、宾汉姆流体、幂律流体的壁后注浆室内试验。根据试验结果分析注浆过程中浆液流速、土体密度及含水率的变化规律,并结合理论计算分析浆液的充填率λ,超挖系数和浆液压缩系数λ₁+λ₂,浆液损耗系数λ₃,浆液在土体中的渗透系数及压密系数m的变化规律。结果表明：盾构隧道壁后注浆过程中,水灰比大小对浆液的流速、渗透扩散时间影响较大,砂样分维数对地层可注入时间的影响较为明显;浆液的充填率λ与水灰比大小有关,浆液损耗系数λ₃ 与水灰比呈正相关关系,不同砂样的超挖系数和浆液压缩系数λ₁+λ₂ 的数值变化不大;浆液在砂样中的渗透系数及压密系数m与砂样的分维数呈负相关关系;3种不同的流体注浆结束后,管片周围土体的密度与土体所处的深度成反比,随着深度的增加,土体密度的变化率减小且纵向上的离散性降低;周围土体的含水率与土体所处的深度成正比,随着深度的变化,含水率的变化率亦减小且在纵向分布上趋于某一确定值。     

公路隧道双洞互补式通风的设计方法与试验

针对单坡隧道左右线通风负荷不均衡的问题,提出了双洞互补式通风方式,详细推导了左右线隧道长度不同、换气风量不同时双洞互补式通风的计算方法;采用物理模型试验,验证了双洞互补式通风方式的可行性和可靠性;利用双洞互补式通风设计方法对某隧道进行了简要的通风设计,通过比较单斜井送排式通风方案和互补式通风方案的配机功率,分析了互补式通风方案的经济效益.结果表明:双洞互补式通风方式利用下坡隧道作为上坡隧道的换气竖井,用空气质量较好的下坡隧道内新鲜空气去稀释空气质量较差的上坡隧道内的污浊空气,减小了通风系统规模,均衡了左右线隧道风量,降低能耗,节约了初期投资,具有良好的经济和生态效益.     

盾构隧道壁后注浆试验与浆液扩散机理研究进展

盾构隧道壁后注浆具有控制地层变形、确保管片受力均匀等作用,但壁后注浆施工中也常出现隧道上浮、管片破损、螺栓剪断等现象,壁后注浆效果与注浆施工参数的控制密切相关。为达到预期注浆效果,深入研究壁后注浆过程中浆液的扩散机理,提出合理的壁后注浆施工控制策略具有重要现实意义。基于目前国内外学者在盾构隧道壁后注浆浆液扩散机理方面所开展的工作,从现场实测、模型试验、理论分析3个方面进行梳理总结,分析现有研究的进展和不足。在现场实测方面,目前常用的监测手段是探地雷达无损检测法和埋设仪器法;室内模型试验包括整体模型试验和局部模型试验,整体模型试验主要用于模拟盾构掘进过程中的同步注浆施工,局部模型试验主要用于分析浆液固结变形以及压力消散过程;在理论分析方面,当前主要从盾尾间隙特征、浆液流体特性以及浆液-土体相互作用机理研究浆液扩散过程,浆液扩散过程可概括为充填、渗透、压密和劈裂4个阶段,充填注浆浆液的扩散模型主要是环形充填扩散和扇形充填扩散,渗透注浆浆液的扩散模型有球面渗透扩散和柱面渗透扩散,压密注浆浆液的扩散模型有球形压密扩散和柱形压密扩散,劈裂注浆过程很少考虑;在数值计算方面主要侧重于研究盾构壁后注浆对管片受力和地表沉降的影响。最后,分别从盾构隧道断面形式、理论模型的地层适应性、统一扩散理论模型、浆液扩散微观机理等方面展望了盾构隧道壁后注浆浆液扩散机理研究的发展趋势。     

逆断层黏滑错动对跨断层隧道影响机制的模型试验研究

为指导隧道穿越活动断层时的抗错断设计,避免逆断层黏滑错动造成跨断层隧道结构的严重破坏,以棋盘石隧道为工程背景,通过 1 ∶ 50 相似模型试验,研究逆断层黏滑错动所引起的山岭隧道破坏模式,分析隧道和地层变形过程及破坏特征,得到以下结论: 1)逆断层错动在断层迹线附近地层形成剪切带,剪切带沿着断层线略微凸向试验装置上盘的弧线方向发展。2)断层错动对试验装置上盘内隧道变形破坏的影响大于下盘,最大土压力和最大纵向应变主要分布在上盘隧道中; 土压力和纵向应变变化规律相似,均随错动位移的增加而不断增加。3)隧道最终破坏为逆断层下的剪切破坏,局部伴随张拉破坏,剪切破坏主要表现为变形缝两侧隧道衬砌脱落和纵向裂缝;断层错动对隧道影响区域主要集中在断层破碎带及附近2D(D 为隧道洞径)区域,尤其是试验装置上盘部分,在跨断层隧道的设计阶段需引起足够重视。     

断层破碎带内隧道纵向受荷特征和变形分析

为了探究断层破碎带处隧道沿纵向的变形和受力特征,首先基于筒仓理论和地层应力分布特征,考虑断层破碎带的几何特征和围岩特性,建立了断层破碎带内隧道纵向荷载简化计算模型,并利用应力传递原理进行了求解;其次将隧道简化为破碎带纵向荷载作用下的弹性地基梁,利用有限差分理论计算了破碎带纵向荷载作用下的隧道变形和受力特征。开展了相应的数值模拟和室内模型试验,结合试验数据和数值计算结果对理论模型进行了验证,并分析了埋深、破碎带宽度和倾角变化对隧道纵向变形和受力的影响。结果表明：①埋深越大,破碎带内纵向荷载越大,但纵向荷载的增长速率越小,隧道在上下盘与破碎带交界面附近的剪力和弯矩差值越小;②破碎带宽度越大,纵向荷载整体越大,隧道在上下盘与破碎带交界面附近的剪力和弯矩差值越大,最大变形位置越接近于下盘和破碎带交界面;③破碎带倾角越大,纵向荷载越接近于均布,上下盘和破碎带交界面附近变形和受力越趋于对称。     

砂土地层隧道小导管注浆模型试验研究

以河南济源-邵原高速公路王坑隧道工程为依托,针对小导管注浆加固砂土围岩过程中遇到的问题,进行小导管注浆模型试验,研究注浆压力、水灰比与注浆量之间的关系,以及应如何调整注浆压力和浆液配比,才能达到较好的注浆效果。     

断层影响下隧道围岩稳定性的数值分析

断层等软弱结构面是隧道工程中最常见的一类规模较大的地质不连续面。诸多工程实践和研究表明,隧道围岩的变形与破坏大多受到断层等软弱结构面的控制。结合大华岭隧道施工过程,根据隧址区断层实际走向、断层面产状与隧道轴线不同夹角,利用基于有限元方法的岩土与隧道分析系统(MIDAS/GTS)对断层影响下的隧道围岩稳定性进行数值模拟分析,以DX(V)位移等值线数据分析为例,分析了特定施工段支护前后沉降对比及位移量,讨论了围岩和支护体系的结构状态及工程效果。该方法可为同类隧道设计、施工和研究提供有益借鉴。     

考虑交通流动态分布的路面养护最优决策

为准确评估路面全生命周期用户成本以制定最优的路面养护策略,提出基于网络交通流均衡条件的路面养护多阶段动态规划最优决策模型,通过交通流的仿真,模拟用户成本在路网养护前、后以及生命周期各阶段的动态变化,并设计启发式迭代算法。该模型最小化的目标函数包含了生命周期的养护成本、用户成本、路面资产残值,约束条件主要由交通量守恒约束条件、养护预算约束、路面性能转移约束等。为证明模型的有效性,以一个具有10个路段的路网为例,采用提出的模型制定该路网连续20年的最优养护决策方案。研究结果表明：在每年养护预算确定的情况下,全生命周期路面养护最优方案是一个决策方案组合,该最优方案可以提高养护资金使用效率并有效减少用户成本,可为路面养护管理提供决策支持。通过对不同养护约束情景下的全生命周期用户成本的模拟表明：随着养护预算的增加,养护路段增多,导致用户成本增加,使养护成本的边际收益发生递减,养护预算在理论上具有一个最优值,并且养护成本收益与养护预算之间呈倒U形函数关系。     

不同湿度粘性路基土动态回弹预估研究

研究以滤纸法测量了粘性路基土基质吸力,获得了土水特性曲线。通过动三轴试验,研究了不同含水量下粘性路基土动态回弹模量,并于试验后以滤纸法测量土样的基质吸力,并探讨了粘性路基土动态回弹模量与基质吸力的关系。研究表明,粘性路基土动态回弹模量随循环偏应力和含水量的增大而减小,随基质吸力的增大而增大。鉴于动态回弹模量是偏应力和体应力的函数,在现有偏应力和体应力为变量的三参数复合模型基础上引人基质吸力的影响,进而提出综合反映湿度和应力状态的动态回弹模量预估模型。通过对试验数据进行回归分析,结果表明所选模型具有较高的决定系,证明所选综合考虑应力和湿度影响的模型具有较高的合理性与可靠性。模型的建立,不仅为南方多雨地区评价路基土在环境和交通荷载作用下长期性能提供了依据,也为基于动力学的路面结构设计提供了参数。     

桥梁平转施工中球铰界面的摩擦力精确计算方法及验证

转体施工是桥梁施工中的重要方法,中国已成功将该技术应用于数百座大跨桥梁的施工.大吨位转体施工中,摩擦力的计算至关重要,但现有工程实践中给出的近似计算方法与工程试验值有较大差距.因此,精确的摩擦力和摩阻力矩计算理论,是转体施工中亟待解决的问题.首先采用称重原理获得竖向摩阻力矩,然后利用接触理论求得接触面的应力分布规律,并...     

全风化花岗岩路基路面结构动力特性模型试验研究

路基路面结构受交通动荷载重复作用,表现出疲劳特性,并会产生不可恢复的残余塑性变形。通过3组室内大比例模型试验,研究了全风化花岗岩、全风化花岗岩水泥稳定土和土工格室加强等不同路基结构形式的路基路面结构受交通动荷载作用的动力特性,分析了路基路面结构动应力应变分布规律,得到路基路面结构动应力、应变和永久变形随车辆荷载大小、车辆荷载通过量(对应加载次数)、运行速度的变化规律,试验论证了全风化花岗岩及其水泥稳定土和土工格室加强作为高速公路路基填料的可行性和适用范围,评价了路基处理的效果,确定了路基质量控制标准,对高速公路的设计与施工具有指导意义。     

地震荷载作用下粗颗粒含量对川西混合土动剪切模量和阻尼比的影响

为分析川西地区混合土地震荷载作用下的动力特性,针对该地区保留全部粒径的天然混合土,对3组土分别采用筛分法剔除60,20,10,5 mm粒径颗粒,制备粗颗粒含量不同的天然混合土土样,利用DJSZ-150粗粒土动、静两用三轴试验机进行大型动三轴试验,采用Hardin-Drnevich双曲线模型（H-D模型）拟合动应力-应变关系曲线,获得G_d/G_max-γ和λ-γ曲线变化规律,分析不同围压和粗颗粒含量对川西混合土动剪切模量G_d和阻尼比λ的影响作用。结果表明：混合土动剪切模量G_d、阻尼比λ均随围压及大于5 mm的粗颗粒含量的增大而增大,原因是随着围压增大,粗细颗粒的接触增多,土体结构更加紧实,提高了颗粒壁隙间的动摩擦力,增大了能量传递时的耗损,导致动剪切模量与阻尼比随之增大;当粗颗粒含量小于40%时,细颗粒构成土骨架,粗颗粒的接触被细颗粒阻隔,导致其对动剪切模量及阻尼作用贡献不大,此时动剪切模量和阻尼比随粗颗粒含量增加而增加的速度较慢,当粗颗粒含量为40%~60%时,混合土中粗颗粒骨架形成,且细颗粒有效填充了粗颗粒间的孔隙,粗颗粒在土中起主导作用,此时动剪切模量与阻尼比随着粗颗粒含量的增加而快速增加,当粗颗粒含量大于60%时,粗颗粒的增加无法进一步增强其骨架效应,而此时细颗粒间的胶结作用随粗颗粒的增多导致细颗粒的相应减少而减弱,动剪切模量和阻尼比随粗颗粒含量增加而增加的趋势不明显。     

非自由液化场地地基动力性能大型振动台模型试验研究

基于1∶10模型大型振动台试验,研究非自由液化场地的地基动力性能。液化场地条件下,与自由场地基相比,非自由场地地基的自振频率明显加大、动力耗能作用提高较小。土层液化前且在小震输入下,地基动力变形的线性特征较突出,主要表现为对地震波的动力放大作用,加速度反应自下而上逐渐增大;土层完全液化后,地基加速度反应自下而上也逐渐增大,这是由于液化地基的层间剪切运动加快且加快的速率自下而上逐渐增大所致。地基孔压变化主要受两方面因素影响:一是随埋深减小,孔压减小,但孔压比增大;二是离桩距离越近,孔压和孔压比越大。土层液化前,输入波主要峰值过后,自下而上孔压消散逐渐减慢。较大震输入下,自下而上孔压有减小的趋势,但最大孔压比均很快达到液化孔压比;输入波主要峰值过后,孔压消散很缓慢,尤其是孔压消散随埋深减小越来越慢。试验中还出现瞬时负孔压的有趣现象,这也许是由于可液化土层发生瞬时膨胀作用所致。