隧道围岩与衬砌结构变形规律数值模拟研究

针对隧道施工过程中的围岩稳定性问题,运用FLAC软件比较分析了未采用衬砌与采用衬砌加固两种工况下隧道围岩的应力分布与变形规律.数值计算中采用摩尔-库仑弹塑性模型,隧道衬砌与周边岩体之间的接触面采用接触单元.结果发现,未采用衬砌加固措施前,隧道周边岩体变形较大,隧道硐室出现大规模的垮塌现象;经过混凝土衬砌加固之后,岩体变形显著减小.此研究对隧道的开挖与衬砌结构的施工提供重要参考价值.     

干湿交替条件下膨胀围岩隧道的力学性态研究

以广西南宁膨胀土为围岩材料,制作室内膨胀围岩隧道物理模型。通过对隧道模型进行干湿循环试验,得出围岩在吸水及失水条件下的围岩应力-时间关系曲线及衬砌应变-时间关系曲线。试验认为在吸水过程中大部分测点的围岩压力都经历了增长、减小、不同速率的再增长3个阶段。衬砌变形则经历缓慢增长、急剧增长、急剧减小、微增长4个阶段;在失水过程中,从整体上可以将围岩压力变化分为两部分,即围岩失水收缩致使衬砌和围岩的接触压力下降导致围岩应力值减小以及土体收缩产生收缩应力导致应力监测值增大。并分析这种变化规律的形成机理,证明时间效应和空间效应的存在。为今后膨胀围岩隧道的结构设计和施工优化提供一定的理论参考。     

干湿交替条件下膨胀围岩胀缩规律的试验研究

为研究干湿交替条件下膨胀围岩的胀缩演变规律,利用南宁地区的膨胀土制作了膨胀土隧道物理模型。通过对隧道模型进行五个循环的干湿交替试验,得出了围岩在吸水及失水条件下的应力—时间关系曲线,并对围岩在吸水及失水过程中的力学响应及行为表现进行了分析与描述。结果表明:随循环次数的增加,各应力—时间关系曲线趋于平缓,各阶段围岩应力变化值呈减小及各阶段循环所耗时间呈逐渐短化的趋势。说明干湿交替作用,使围岩的胀缩能力减弱,渗透性提高。此外,在围岩湿胀引起的洞周总围岩应力增加值中,底板处最大约为40kpa,因此在隧道设计和施工时应注意底板的变形。     

软弱围岩隧道施工数值模拟分析

以渝宜高速公路某隧道为工程背景,采用理想弹塑性材料本构关系及Drucker-Prager屈服准则建立二维有限元模型,对软弱围岩公路隧道开挖进行了数值模拟,得到了隧道施工过程中各阶段围岩的应力、应变以及隧道支护结构中的内力变化情况,并将数值模拟结果与监控量测数据进行了对比分析,判定软弱岩体的稳定性及支护参数选取的合理性。研究成果为公路隧道施工安全选择提供了必要的依据和一定的参考价值。     

双层采空区隧道开挖围岩稳定性数值模拟

隧道下穿煤层采空区开挖不可避免地会对周围地层产生扰动,活化既有采空区,影响隧道及采空区周围地层的稳定性。由于双层采空区的特殊性,采空区与采空区之间也会产生一定的影响。利用FLAC3D软件,通过控制变量法建立双层采空区隧道模型进行计算,考虑采空区高度及采空区之间间距的影响,对隧道开挖过程中围岩形变及位移、围岩应力及围岩塑性区的开展情况进行分析。得出双层采空区存在时,当采空区之间间距大于20倍煤层采高时,双层采空区可按单层采空区进行处理。     

渗水作用下膨胀土中单桩承载变形特性研究

目前膨胀土中桩基设计仍基于非膨胀土力学的设计原则。基于FLAC3D采用热-力耦合方法实现吸热膨胀来模拟膨胀土的吸湿膨胀,并重点阐述温度场模拟湿度场的关键参数取值方法。建立膨胀土中单桩三维实体模型,得出渗水作用下膨胀土中单桩的荷载变形特性、桩侧摩阻发挥特征,并分析了桩长、桩径、膨胀系数等对单桩承载特性的影响规律。研究结论:非扩底桩最小桩长宜大于2倍膨胀影响深度;细长桩比短粗桩更能有效降低膨胀土中桩顶的位移。该方法可获得渗水作用下任一时刻的桩身受力变形特性,为研究膨胀土中桩基受荷性能提供一种可行的变通手段。     

隧道开挖数值模拟的围岩边界取值范围研究

研究目的:隧道数值模拟的应用已相当广泛,在数值建模过程中,如何从实际问题中提取出合理的边界范围,平衡计算精度和占用内存之间关系,选取较佳的结合点,是数值建模中重要的部分。文章结合某隧道的工程实际,从数值模拟分析的角度,分两倍洞跨、三倍洞跨、五倍洞跨和八倍洞跨四种围岩边界范围进行了数值模拟。通过比较其第一主应力、位移和塑性区等结果,提出一般情况下隧道围岩模型的边界范围取值。研究结论:不同边界范围对隧道其周围的应力场和位移场的分布影响不大;一般情况下,取3倍洞距边界范围对隧道进行数值模拟和结构设计,其分析结果和结构设计方案较为安全。     

荷载条件下原状膨胀土浸水膨胀变形试验研究

以兰新铁路第二双线一处典型原状膨胀土为研究对象,进行厚度为2 cm的原状膨胀土在不同荷载条件下的分级浸水膨胀变形试验,以研究含水率和上覆荷载对原状膨胀土膨胀量的影响。试验结果表明:原状膨胀土的膨胀时程曲线呈阶梯型增长,且在某一含水率下的膨胀量随时间变化呈现出直线剧烈膨胀阶段、外凸弧线减速阶段和直线缓慢膨胀阶段;上覆荷载对膨胀量起抑制作用,上覆荷载越大,膨胀土的膨胀量越小,上覆荷载越小,膨胀土的膨胀量越大,且膨胀土最终达到膨胀稳定时的饱和含水率随上覆荷载的增大在逐渐减小;在上覆荷载一定的情况下,含水率和原状膨胀土的膨胀量呈良好的对数关系,再依据不同上覆荷载对公式参数进行拟合,建立了含水率和上覆荷载耦合作用下原状膨胀土膨胀量计算模型,模型计算结果与实测数据吻合较好。     

管线渗水条件下隧道施工诱发地层变位研究

研究目的:管线渗漏水是诱发地铁隧道施工风险的重要原因之一。目前,关于在渗漏水条件下隧道开挖引起的地层变位研究相对较少。基于此,本文对管线渗漏水条件下砂土地区隧道施工引起的地层变位进行室内模型试验,研究不同渗漏水范围条件下隧道开挖引起土体损失产生的地层变位规律。研究结论:(1)渗漏水范围会显著影响地层沉降量,随管线渗漏水量的增加,地层变位表现为先减小后增大的趋势,地表最大沉降值整体呈二次函数形式增长;(2)随着隧道开挖面的推进,沿地层深度各点的位移时程曲线沉降速度均逐渐增加,并随着开挖面的远离,沉降速度逐渐减小,当达到2D(2倍洞径)后基本趋于稳定,但与无渗漏水时沿地层深度各点的位移时程曲线最大沉降速度出现在监测断面正下方不同,当出现大范围渗漏时,曲线的最大沉降速度出现在监测断面前方0.75D处,即含水土体与干砂交界面处;(3)根据试验结果,修正了渗漏水条件下隧道开挖诱发地层变位的沉降槽宽度系数计算公式,并建立了任意深度处地层损失的计算方法,可为实际工程提供理论支持。     

合肥地铁车站基坑膨胀土有荷条件下的变形规律研究

为了考察合肥地区膨胀土的膨胀特性,选取合肥地铁车站基坑膨胀土进行了击实土样的有荷膨胀率试验,研究膨胀土的膨胀时程曲线特征及其有荷膨胀率与初始含水率、压实度、荷载的关系。试验结果表明:有荷膨胀时程曲线可分为等速膨胀、减速膨胀、缓慢膨胀阶段,初始条件不同膨胀时程曲线特征也不同;有荷膨胀率随初始含水率的增加而线性降低,有荷膨胀率与荷载的对数呈线性关系;压实度对有荷膨胀率的影响不显著。     

复杂条件下隧道围岩变形特征

研究目的:新七道梁隧道是甘肃省在建的开挖断面最大的公路隧道,地质条件复杂。研究复杂条件下长大隧道围岩变形分布规律,可以指导隧道开挖支护设计施工,这也是隧道信息化施工的重要手段。研究方法:在现场布设收敛大量量测断面,并长期监测,对隧道围岩收敛测量数据进行曲线分析。研究结果:结果显示隧道开挖后围岩的变形具有时间相关性和空间相关性。包括3个阶段,即急剧变形阶段、缓慢增长阶段、基本稳定阶段。新七道梁隧道围岩变形具有变形较均匀、收敛速度快、变形小、拱顶下沉较水平收敛变形大的特征,这是地质条件、施工技术、周围环境综合作用的结果。表明隧道区围岩条件较好,自稳定性能强,隧道开挖支护设计施工技术科学合理,支护结构较强。围岩变形分析动态反馈于施工中,取得令人满意的结果。研究结论:地质条件复杂、岩性、空间位置变化频繁地段围岩变形变化大,应引起特别注意,并制定相应施工措施。     

铁路隧道松散破碎围岩塌方数值模拟分析

运用二维离散元程序UDEC3.1软件,对3种不同顶板岩性组合模型进行数值模拟,再现了隧道顶板岩层离层、弯曲、沉降、开裂直至塌方的全过程,分析了松散破碎围岩隧道塌方后围岩的位移、应力和塑性区分布特征。     

膨胀土损伤增量规律试验研究

进行了原状膨胀土浸水及不浸水的三轴剪切试验过程的CT扫描。提出了密度损伤增量、空隙损伤增量和总损伤增量的概念。发现在剪切过程中随着轴向位移的增大,对于干土样,密度损伤增量开始缓慢地增大,当达到峰值强度后,密度损伤增量开始迅速减小;孔隙体积在一直增大,裂隙在不断扩展;膨胀土的总损伤增量随着剪切位移的增大开始有微小的增量,但是峰值强度过后,开始大幅度的减小,说明开始时,密度损伤增量占优势,且试样被压密,后来孔隙的发展占优势,直接导致膨胀土的破坏。对于湿样,密度损伤增量随加水量的增大呈先增加后减少的变化,空隙损伤增量随加水量的增加而增加,总损伤增量随加水量的增加呈先增加后减少变化趋势,说明后期膨胀占优势,最终导致试样的破坏。     

无轨运输施工隧道瓦斯分布规律数值模拟研究

为了研究隧道瓦斯涌出运移规律及对无轨运输施工的影响,对渝黔铁路天坪隧道施工过程中开挖面瓦斯涌出后的运移分布规律进行数值模拟。考虑可能存在的瓦斯涌出极端条件并结合隧道施工实际,在特定供风条件下分别模拟隧道内无障碍物阻挡、有衬砌台车阻挡、存在运输车辆等因素对瓦斯分布的影响,通过分析特定断面及沿着隧道瓦斯浓度随时间的变化规律,结论如下:开挖面瓦斯涌出后隧道上部瓦斯浓度大于下部瓦斯浓度,上部瓦斯运移速度大于下部瓦斯运移速度;压风管一侧瓦斯浓度低于无压风管一侧浓度;衬砌台车和运输车辆会改变瓦斯运移场规律;建议内燃机车进巷作业时间不低于30 min。     

隧道围岩变形特征及其影响因素的数值模拟

运用数值模拟手段,对宜万铁路堡镇隧道围岩在高地应力条件下的变形特征及其影响因素进行了模拟分析。模拟结果表明:隧道开挖后,在隧道的周边出现应力集中,洞壁最易发生破坏,隧道围岩位移的模拟值与实际测量值较为接近,且隧道围岩的变形量与隧道洞径、围岩的侧压系数、隧道埋深和围岩的力学参数密切相关。     

增湿条件下膨胀土隧道近距离下穿既有地铁车站施工力学分析

为确保膨胀土地层渗水后,矿山法隧道近距离下穿既有地铁车站施工过程隧道及车站的安全,以合肥地铁5号线下穿既有车站隧道工程为依托,采用PLAXIS 3D岩土有限元软件精细化模拟整个施工过程,计算分析隧道、地层及既有车站结构的响应规律.研究结果表明:隧道下穿车站结构时经历的应力场较低;引起的地层变形主要表现为底部隆起和掌子面...     

南宁膨胀土膨胀变形规律的试验与应用研究

通过不同初始干密度、初始含水率在不同垂直压力下的膨胀变形试验,研究南宁膨胀土的膨胀量与初始干密度、初始含水率以及垂直压力的相关关系。研究结果表明,膨胀量随初始干密度的增大而增加,随初始含水率和垂直压力的增加而减小;通过回归分析发现,膨胀率与初始干密度和初始含水率成线性关系,而与垂直压力成半对数线性关系。在此基础上,建立了南宁膨胀土膨胀率的三元回归方程,并通过某大型模型试验验证了该方程的正确性与实用性。本文所建立膨胀率三元回归方程为简便而准确地预测和估算膨胀土地基的膨胀潜势和差异隆起提供了依据。     

大断面古土壤隧道围岩变形规律研究

古土壤形成时期、环境有别于黄土,因此,古土壤隧道围岩物理力学性质与黄土隧道存在一定差异。银西高铁早胜三号隧道作为国内首次穿越古土壤地层的长大隧道,为系统研究古土壤的物理力学性质及隧道穿越古土壤地层时关键施工技术研究提供了有利条件。本文以早胜三号古土壤隧道为研究背景,通过基础试验得到古土壤的物理力学性质,利用现场量测结果分析古土壤隧道的沉降变形收敛规律,然后通过数值模拟验证了现场监测结果。研究表明:古土壤具有密度大、比重大、抗剪强度较大和弱膨胀性的特点;隧道沉降变形分为快速增长阶段、持续增长阶段、平稳阶段,沉降主要集中在上台阶拱顶位置;围岩收敛主要集中在拱脚附近,且随着测点距拱脚位置的减小,收敛值逐渐扩大;同时,三台阶七步施工工法是造成左右围岩收敛值不同的主要原因;针对收敛主要集中在拱脚位置这一现象,建议进行仰拱曲率优化的研究。     

降雨入渗对膨胀土隧道力学特性影响的数值分析

为研究膨胀土隧道围岩湿度变化对隧道初期支护结构力学特性的影响,采用数值分析方法,将隧道施工过程中围岩扰动较大的范围作为"松动区",基于温度场与湿度场相关理论及变量的相似性,分析在不同扰动程度及不同渗水条件下,隧道初期支护结构变形及内力的变化特征。研究表明:在"轻微松动"条件下,洞周土体内基本不产生膨胀力;在"显著松动"条件下,洞周土体内将产生少量的膨胀力;在"完全松动"条件下,洞周土体增湿后将产生较大的膨胀力,使得隧道支护结构所受的附加荷载明显增大。随着隧道开挖扰动程度的加剧,隧道初期支护的受力和变形与不考虑增湿膨胀条件下的内力和变形之间的差异逐步增大,土体增湿膨胀后,隧道初支结构内力最大增幅接近20%。因此,隧道施工中应尽量减少对周边土体的扰动,并注重对地表水体的截、排处理。