地下水位变化对路基稳定性影响分析

研究目的:季节性强降雨地区地下水位变化将改变岩土体工程性质,如何根据其变化情况对路基工程稳定性进行分析判断十分重要。本文以尼日利亚现代化铁路为例,分析季节性地下水位变化对花岗(片麻)岩全风化地层路基稳定性的影响,为尼铁修建提供技术参考。研究结论:(1)尼铁沿线雨季降雨量大,地下水位变化幅度较大;(2)沿线花岗(片麻)岩全风化地层物理力学性质较好,蒙脱石、云母矿物含量高的地段在地下水位上升后承载力降低;(3)地下水位上升对深路堑(15m内)稳定性基本没有影响,但在短期条件下路基填方高度受制于地下水位埋深;(4)本文分析计算结果可以为类似环境条件下铁路路基工程修建提供一定的参考。     

化学腐蚀下红层软岩单轴压缩及声发射特征试验研究

为研究酸性水化学溶液浸蚀作用下红层软岩的细观损伤演化特征,利用声发射技术分析红层软岩在受不同p H化学溶液浸蚀作用后的单轴压缩损伤破坏过程。试验结果显示:酸性溶液对红层软岩主要表现为溶蚀作用;受腐蚀后红层软岩试样破坏失稳过程中的声发射特征与试样中的裂纹萌生、扩展和贯通的演化特征密切相关;试样在破坏过程的声发射能量呈现"上升—峰值—下降—平缓"的演化规律,峰值前有声发射平静期;红层软岩在不同p H酸性溶液浸蚀95 d后单轴抗压强度均有所降低;随着浸泡溶液p H减小,化学腐蚀程度增大,溶蚀孔隙分布越多,试件在单轴荷载下压密阶段声发射特征越明显。试验结果可为受腐蚀区域红层软岩的长期稳定性的评价提供参考。     

深基坑开挖对邻近既有高铁桩基影响研究

研究目的:大中型城市的市政工程建设高速发展,其中深基坑工程越来越多,由于土地资源稀缺,其不可避免地会近接既有建筑或结构。本文针对深基坑开挖邻近既有高速铁路桥基的少见工况,结合有限元数值模拟进行研究,对基坑围护结构与桩基受深基坑开挖影响的规律进行分析,并结合现场实测数据进行对比验证,以期为今后类似的深基坑近接工程提供参考与指导意义。研究结论:(1)深基坑开挖的卸荷效应使得坑周岩土体平衡状态遭到破坏,进而发生应力重分布;(2)深基坑开挖导致基坑底部隆起,围护结构向坑内发生移动;(3)岩土体应力场改变带来位移场改变,赋存于岩土体中的结构物(如桩基)由于岩土体的运动而发生变形,基本均向坑内移动,桩基上部变形较大,下部变形较小;(4)数值模拟数据与现场实测数据对比基本吻合,基坑开挖完成后产生的变形均处于安全范围,证明了设计的围护与支撑方案对深基坑安全起到有效作用,该支护方案设计以及桩基变形规律研究可应用于今后类似工程中。     

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。     

西宁至成都铁路特殊地质问题及选线研究

研究目的:西宁至成都铁路位于青藏高原东北缘,地质条件复杂,不良地质极其发育,并首次面临高压气藏以及红层砂岩水稳性、大范围软岩大变形等特殊地质问题的挑战,需开展针对性的研究工作,优化线路方案,降低工程风险。研究结论:(1)高压气藏为基底大理岩受热分解产生的CO2,受鼻状隆起构造控制,因此线路方案应绕避查明的隆起构造;(2)基于岩性、水文条件的水稳性评价结果表明,白垩系民和组、第三系贵德组等红层砂岩水稳性差,线路应进行绕避或以最小距离通过;(3)基于初始地应力、岩石特征、地下水与隧道轴向等,对潜在大变形风险进行了分析并优化线路方案,最终推荐方案以轻微～中等大变形为主;(4)本研究对存在类似地质问题的铁路、公路等工程的勘察、设计及选线具有借鉴意义。     

基于损伤理论的全长式锚杆荷载传递机理研究

根据损伤理论的基本原理,定义岩土体剪切损伤变量及其相应的损伤演化方程;依据岩土体在剪切应力作用下的损伤特性和锚杆在岩土体中的荷载传递机理,建立锚杆在岩土体损伤时的荷载传递微分方程并推导出锚杆轴力、剪切位移和侧摩阻力沿着锚杆长度分布的解析解,该理论解答综合考虑锚杆长度、锚杆直径和岩土体的损伤特性、剪切模量及压缩模量等因素的影响。然后利用数值分析的手段对锚杆的轴力和侧摩阻力与损伤变量、锚杆长度及锚固体直径之间的关系进行分析。最后利用一组有效的试验值与上述模型进行对比分析,显示该模型的合理性。     

基于可靠度方法的既有铁路边坡稳定性分析

研究目的:在山区既有铁路沿线进行工程项目建设时,常常会影响原有边坡的稳定性,甚至形成工程滑坡,因此合理评价边坡稳定性是保证既有铁路安全运营的重要前提。本文建立了结合有限元强度折减法和点估计法的边坡可靠度分析方法,并以修建厂房开挖坡脚引起的既有线隧道口边坡失稳为例进行系统分析。研究结论:(1)基于可靠度理论的边坡稳定性评价方法,能较全面地反映岩土参数的空间离散性、时间变异性等不确定性因素的影响,分析结果更为符合工程实际;(2)将有限元强度折减法与点估计法相结合,用于既有铁路边坡稳定性的可靠度分析,克服了传统的安全系数法的缺点,可较为全面地反映岩土体参数变异性对边坡稳定性的影响;(3)计算结果与Monte-Carlo法计算结果基本一致,但计算过程较为简单,因此工程实用性较好,可为类似工程提供借鉴。     

降雨入渗对边坡稳定性的影响研究

降雨入渗直接影响着边坡岩土体中渗流场的分布,持续的降雨一方面使边坡浸润线逐渐抬升,边坡体非饱和区的含水量逐步增大,内聚力降低,孔隙水压力增大,降低边坡岩土体的抗剪强度;另一方面,边坡岩土体中饱水厚度逐渐增加,一定程度上增加了边坡的下滑力,进一步诱发边坡的变形与滑移。因此,通过建立不同降雨强度下边坡岩土体渗流场有限元模型,定量分析降雨强度对边坡稳定性影响,并结合模拟渗流场中孔隙水压力等值线图,用改进极限平衡法对不同降雨强度下边坡进行稳定性分析。     

增量加卸荷作用下砂岩破坏与声发射特征研究

在公路隧道的施工和运营阶段,岩体经常会受到反复加卸荷的作用。为探究反复加卸荷作用下软岩的强度劣化趋势及声发射特征规律,通过室内单轴反复加卸荷试验配合声发射监测,研究砂岩在不同反复加卸荷条件下的变形、破坏和声发射特征。结果表明：增量反复加卸荷作用下砂岩的破坏形式与其常规单轴的破坏形式具有关联性,主要以剪切破坏形式为主,破碎程度有所提高。在增加保载作用之后,砂岩破裂面变得圆润光滑;反复加卸荷作用下砂岩强度较单轴抗压强度提高了6.8%,增加保载作用后提高了9%;砂岩在反复加卸荷作用下,其扩容应力无明显变化且仍表现出弹塑型破坏特征。在增加保载作用之后,砂岩的滞后变形特征明显;砂岩在峰值应力水平46%～62%之间Kaiser效应明显,在70%以后Felicity效应明显,且FR能较好地量化岩石损伤演化的过程。在增量反复加卸荷过程中,随着加载次数的增加,FR呈现出先增大后减小的规律。根据FR突然降低时的加载应力,可以判断岩石的裂缝损伤应力所处的范围,可为预警岩石破坏提供应用。研究结果可为实际岩石工程中岩体在受到循环反复加卸荷作用下的长期稳定性的评价提供试验参考和理论依据。     

高水压隧道衬砌渗流-应力-损伤耦合模型研究

研究目的:富水区隧道衬砌由于长期处在高水压的环境中,衬砌的损伤受到渗流场的影响较为明显,由于渗流场作用而产生相应的应力场和损伤场的变化,衬砌损伤和应力的变化又对渗流场产生反作用,对衬砌结构的混凝土的渗流场、应力场及损伤场进行分析和研究;通过流固耦合来表达隧道衬砌损伤及演化过程,以提高对高水压隧道衬砌损伤表达的准确性和鲁棒性。研究结论:(1)可将混凝土损伤的宏观表达和细观变化统一起来,采用混凝土代表体积单元体作为承水压隧道衬砌流固耦合的研究对象;(2)建立高水压隧道衬砌渗流场、应力场和损伤场的流固耦合模型,采用迭代法可提高模型的可行性;(3)工程计算实例中通过比较是否考虑耦合的情况进行计算模拟衬砌损伤表达,得出流固耦合模型能够更客观的反映实际情况;(4)流固耦合模型能够应用于隧道健康监测及维护。     

圆弧直线型滑面岩土质边坡稳定性分析方法

研究目的:岩土质边坡是我国中西部山区常见的一种边坡类型。大量工程实践表明,若岩土质边坡下部存在顺坡向的土石界面或岩层面,且上部覆盖一定厚度的黏性土,岩土质边坡在开挖过程中极易诱发滑坡、坍塌等次生灾害,其实际的滑动面多呈现出圆弧直线型。而目前的边坡稳定性分析方法一般假定滑动面为圆弧型或折线型,不能够较好地满足此类型岩土质边坡稳定性分析的要求。为此,本文探究一种基于圆弧直线型滑面搜索的岩土质边坡稳定性分析方法。研究结论:(1)论文采用了一种基于平面坐标系统的组合滑动面搜索模式,该方法考虑了岩土质路堑边坡的几何特征和典型滑移模式,通过不断改变黏性土土层内圆弧滑动的虚拟搜索圆心坐标位置,能够寻找圆弧直线组合滑动面的有效交点,可实现对不同位置潜在的圆弧直线组合滑动面上滑体的稳定性分析过程;(2)论文采用C#作为开发工具,基于该计算分析方法编制了岩土质路堑边坡稳定性分析的相关软件,可自动实现圆弧直线组合滑动面全剖面搜索和最小稳定安全系数的分析过程;(3)该研究成果已较好地应用于吕临铁路支线工程滑坡优化设计工作中,有效提高了路堑边坡设计精度及效率,对解决圆弧直线型滑动边坡的稳定性分析具有较强的借鉴作用。     

路堑边坡滑坡成因机制浅析及防治对策

研究目的:针对云桂铁路大菠萝黑路堑边坡滑坡,在现场地质调绘、钻探、物探及工程测试等综合勘探的基础上,从工程地质环境、采空区影响、降水及施工影响等几方面对该滑坡的成因机制进行分析研究,并提出防治对策,为类似工程提供借鉴。研究结论:(1)路堑工程边坡滑坡的产生主要受地层岩性及采空区的影响,特殊沉积环境下形成的砂岩、泥岩等膨胀岩,成岩作用差,力学强度低,受人为洞采影响形成扰动圈进一步降低了该区域地层的力学强度;(2)现场岩土体力学参数较施工图指标降低较多,岩体下滑力大于抗滑桩的抗滑力,造成第一排桩倾覆变形,第一级边坡滑动后,使第二排桩锚固段减小,致使第二排桩倾斜变形,最终形成工程边坡滑坡;(3)该工程边坡滑坡的破坏形式,下部表现为推移式破坏,而上部呈现为拉裂式破坏;(4)对该工程滑坡的整治,应在滑坡体上部清方减载的基础上根据力学指标合理布设抗滑桩,并辅以地表水及地下水的疏排措施的综合方案;(5)本研究结论对类似地质条件下的铁路及公路工程深路堑地段的勘察和施工具有借鉴意义。     

受酸腐蚀砂岩力学特性及其统计损伤本构模型

酸性侵蚀环境使得隧道、桥梁、房屋等结构劣化，耐久性和承载性能降低，服役时间缩短，最终导致各种灾害事故发生。为深入探究酸性溶液对岩石力学性能的影响，采用室内长期加速腐蚀试验，对pH=1、3、5的盐酸HCl以及pH=7的蒸馏水(H₂O)腐蚀作用下砂岩的单轴力学劣化特性进行系统研究。基于连续损伤力学和统计理论，借助CT扫描试验分析结果，引入化学-荷载共同作用损伤变量，建立考虑受酸腐蚀砂岩应力-应变曲线压密段的统计损伤本构模型，基于单轴压缩试验结果对模型进行验证。研究结果表明，腐蚀岩样单轴压缩应力-应变曲线的压密段变长，弹性段变短，轴向峰值应力、弹性模量和泊松比减小，轴向、径向峰值点应变增大；腐蚀岩样的裂隙闭合点应变增大、裂隙压缩段变长、裂纹扩展段延长，其脆性特征减弱，柔性特征增强，岩样越来越表现出柔性材料的特征；浸泡溶液pH值越小，浸泡时间越长，岩样损伤软化效应越明显。试验曲线与理论曲线的对比结果表明，所建立的统计损伤本构模型能够较好地反映受酸腐蚀砂岩在荷载作用下的变形特性。研究结果可为受酸腐蚀岩体的稳定性及减防灾分析提供理论基础。     

五峰山长江大桥南锚碇倾斜基岩地质条件分析

五峰山长江大桥南锚碇位于五峰山山壑间,采用圆形扩大基础,外径90 m,场地内地形变化大,岩土层分布复杂,合理设置适应于地质条件的锚碇基础方案,对工程安全性、经济性意义重大。为了充分利用南锚碇场地内工程性能良好的微风化凝灰质砂岩地基,准确评价岩土体稳定性及对工程的适宜性,采用了露头调查、钻探、物探、原位测试及室内试验的综合勘察手段。基于地质成因分析及赤平投影方法,发现岩面、风化面总体产状具有一致性,倾角约18°,沿倾斜方向分布较稳定;通过进一步分析倾斜岩体及其风化面分布与锚碇基坑的相互作用关系,评价采用台阶式基础方案的可行性,并分析了其对岩石地基的利用优势,针对性提出了锚碇基坑的施工建议。经优化,考虑倾斜基岩工程地质条件的锚碇基础设计可减少约4万m³的微风化岩石开挖量,使工程兼具安全性与经济性。     

基于推移式滑坡的隧道变形模式演化规律研究

研究目的:随着我国陆路交通的快速发展，山区运营隧道在滑坡作用下的病害问题日益突出，而导致隧道变形破坏的最根本原因是滑坡的作用导致隧道受力模式的改变。同时，坡体不同的变形阶段对隧道结构的受力变形模式影响较大，目前在这方面缺乏深入的研究。研究结论:(1)以隧道-滑坡平行体系为研究对象，基于推移式滑坡岩土体的变形特点揭示了隧道受力渐进破坏过程的本质是滑坡推力和岩土抗力变化的过程，初步探讨了不同演化阶段滑坡的运动特点和隧道的力学特征，以不同演化阶段的隧道受力模式为基础，建立了半无限长梁、半无限长梁-悬臂梁模型；(2)采用弹性地基梁和结构力学理论，对位于滑坡体内和滑坡体外的隧道结构变形进行耦合解析，建立不同阶段隧道受力变形模式的理论计算公式，提出相应控制截面的解析解表达式，能够实现滑坡不同演化阶段隧道受力变形的评价；(3)通过模型试验进行了对比分析验证，结果表明该理论能够对滑坡中隧道的受力变形的发展进行预测以及为滑坡地段隧道的设计、加固治理提供理论参考。     

嵌岩桩抗拔特性现场试验研究

依托国家电网路平—富乐500 k V双回线路工程中嵌岩抗拔桩极限载荷试验,针对其中3根等截面抗拔桩,对其上拔荷载-桩顶位移关系,桩身轴力及桩身侧阻力等特性进行了分析。结果表明:在本试验研究范围内,相同的岩土层中,增加桩长,可以显著提高抗拔桩的极限承载力,减小桩身位移。岩性是影响抗拔桩极限承载力的重要因素,相同厚度各岩土层提供抗拔力的能力比(即各岩土层的桩侧阻力之比)为土层∶强风化砂岩∶中风化砂岩=1∶3.8∶9.3;随着嵌入中风化砂岩深度的增加,抗拔桩极限承载力呈近线性增加。     

兰渝铁路隧道第三系砂岩含水率与围岩稳定性关系研究

兰州地区分布的第三系含水砂岩具有异常复杂的工程特性,围岩稳定性随时间延长、含水率升高而显著变差,极易产生塑性变形或流变。通过现场观测和室内试验,研究了围岩结构及强度与砂岩含水率的关系,得到围岩发生变形的临界水稳数据,分析了降水对围岩稳定性的影响程度,探讨了微观层次下砂岩遇水失稳的机理。研究表明,随开挖时间的延长,第三系弱胶结砂岩的含水率呈指数形式上升,长期抗剪强度显著降低;当含水率接近塑限和液限时,围岩开始变形失稳。超前降水可有效提高围岩稳定性。     

隧道衬砌弹塑性损伤模型建立与应用研究

研究目的:《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)虽然已经施行多年,但还未见有文献运用其中的混凝土损伤本构关系对工程结构进行数值模拟计算的实例,这无疑是工程设计领域的一种不足或缺陷。因此,通过理论推导建立动载长期作用隧道衬砌结构弹塑性损伤模型,并进行二次开发及损伤模型验证是必要的。研究结论:(1)根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中建议的混凝土损伤本构关系方程,推导并建立了微分形式的拉、压损伤演化方程;(2)编写了混凝土弹塑性损伤本构模型的相应计算程序,并在有限差分软件FLAC3D软件平台上进行了二次开发及损伤模型验证;(3)采用开发的混凝土损伤模型对高速铁路隧道在不同行车速度和不同围岩级别下的动力响应进行了系统的分析计算,通过结构的损伤分布直观地了解衬砌结构的受力特点及损伤特性,明确结构的危险部位;(4)本研究成果可对动载长期作用下弹塑性损伤隧道设计提供指导。     

基于声波-回弹联合法的岩石强度快速预测

研究目的:针对岩石强度试验时效性、经济性差,且将对岩石造成破坏的难题,以片麻岩为例,分别采用传统机械式回弹仪和新型能量式回弹仪,结合岩石纵波波速测试,提出声波-回弹相结合的岩石强度测试方法,采用二元非线性回归方程和BP神经网络建立岩石的声波-回弹-强度预测模型,达到快速、准确、无损地预测岩石强度的目的。研究结论:(1)声波-回弹联合法综合测试了岩样表面硬度和内部缺陷,可大大提高岩石强度预测的精度;(2)在回归分析和BP神经网络计算中,通过分析相关性系数、强度相对标准差、神经网络收敛曲线可见超声-回弹联合法对岩石强度预测精度较高,能准确地反映岩石的强度特征,而2-11-1型神经网络得到的声波-回弹联合法强度预测模型最优;(3)本研究方法可在岩土工程施工现场快速预测岩石强度,有效保障施工安全和进度。     

基于重庆岩层的复合式TBM刀盘中心滚刀布置形式及受荷规律研究

全断面岩石掘进机(TBM)的滚刀布局直接影响TBM隧道工程的掘进效率。基于颗粒离散元计算方法,建立中心滚刀群与围岩的相互作用模型,模拟TBM掘进过程中双刃中心滚刀的破岩过程,从单一滚刀受力特征、中心滚刀区域刀盘整体力学性能以及岩石裂纹扩展等方面研究中心滚刀的受荷规律及布置形式。研究结果表明：(1)中心双刃滚刀的垂直力和滚动力随着安装半径增加呈现增大趋势,而侧向力变化并不明显;(2)双刃中心滚刀内侧刀圈受力小于外侧刀圈,且内外侧刀圈的受荷差异随着安装半径增加而减小;(3)“十”字形中心滚刀布置方式可降低单一刀圈受力和中心滚刀区域刀盘整体受荷,有利于TBM掘进时的稳定,建议岩质地层复合式TBM中心双刃滚刀的布置采用“十”字形布置方式。