上海黏土力学特性试验及应用研究

修正剑桥模型是描述黏土弹塑性本构的重要临界状态模型。通过三轴应力路径剪切试验,给出了上海第5层黏土临界状态线斜率。通过K0固结压缩试验以及回弹试验,得到土体的压缩回弹对数体积模量。采用本文重塑土体参数以及原状土参数进行基坑开挖导致的土体位移有限元分析。结果表明,重塑土体参数较原有土体刚度有一定的减小,基坑坡顶位移及底部隆起采用重塑土体参数计算时,结果与原状土相比明显增大。     

隧道泥质断层多序注浆动态劈裂扩散规律

注浆方法是加固隧道泥质断层的有效手段,为解决多序注浆产生劈裂压力和劈裂路径宽度的计算问题,揭示多序注浆之间的动态影响规律,为注浆设计提供理论指导,采用理论推导和模型试验方法开展研究,旨在推动劈裂注浆工程设计向科学化和可控化发展。泥质断层劈裂注浆工程中,建立合理的土体应变ε-应力p曲线模型是进行注浆设计参数（压力、劈裂路径宽度）计算的基础,注浆具有多序次特点,先序注浆的加固作用使得土体ε-p曲线模型具有动态性,进而导致浆液劈裂扩散模型的动态性。在土体初始压缩的基础上,以先序固结压力p_c和再压缩土体特征压缩模量E'_s1-2为表征参数,提出了适用于后序注浆中被注土体再压缩变形的ε-p曲线模型及其参数求解方法,进而建立了再压缩土体浆液劈裂扩散模型,与采用初始压缩土体浆液劈裂扩散模型相比,所取工况下劈裂路径宽度计算值降低幅度最高可达26.59%,浆液驱动压力计算值提升幅度最高可达269%,证明了考虑先序注浆影响的必要性。开展了"三管四序次"可识别性劈裂注浆模型试验,分别对比第1,2序和第2,3序注浆,后序最大注浆压力提升96.4%和5.45%,平均注浆压力提升104.8%和20.16%。此外,后序注浆劈裂路径宽度相比先序降低了58.2%~69.3%,验证了理论推导结果的正确性,试验还监测了可反映浆液对于被注介质的"加固行为"的土压力变化规律以及浆液劈裂路径的三维分布形态。     

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。     

基于数值模拟的劈裂注浆浆液扩散范围分析

基于离散元程序数值模拟,建立了地层土体劈裂注浆数值计算模型,分析在不同地压、不同注浆压力条件下,土体发生劈裂后浆液在土体裂隙中的扩散范围及注浆孔周边土体中塑性区分布特征。结果表明:随着注浆压力的增大,浆液在土体中的扩散范围逐渐增大;随着地层压力的增大,浆液的扩散逐步受到抑制,其范围逐渐缩小,土体的可注性下降;地层压力对土体中浆液扩散范围的分布形状亦有明显的影响;在注浆压力增大过程中,注浆孔周围土体处于塑性状态的土体单元增加、塑性区范围增大;当注浆压力一定时,注浆孔周围土体塑性区范围随地压增大而减小;地层劈裂注浆过程存在压密效应。     

黏土地层盾构隧道开挖面稳定性的离心模型试验研究

在盾构施工过程中，软黏土地层开挖面的变形机理和稳定性研究仍处于经验阶段。利用离心模型试验，研究了上海黏土地层盾构开挖面稳定性问题。试验分析了盾构开挖过程中开挖面前方土体土压力的变化规律和支护应力与地表沉降的关系。给出了主被动破坏的极限支护应力值以及施工参考范围，这对黏土地层盾构开挖面稳定性控制至关重要。     

盾构隧道壁后注浆试验的研究现状与发展

针对盾构隧道壁后注浆室内试验装置设计及相关测试的问题,总结了目前国内外已开展的壁后注浆室内试验装置的主要特征以及所进行的相关测试。根据室内试验的研究对象将其分为整体模型试验、局部模型试验。整体模型试验以实际工程为原型,通过模拟盾构施工过程,分析壁后注浆对管片和地层的受力、变形的影响以及浆液的扩散特征。局部模型试验以隧道周边局部地层为原型,通过建立盾尾间隙、注浆体、地层土体三元素的浆液扩散试验装置,研究注浆体压力消散、固结的机理。通过总结壁后注浆室内模型试验,为其今后研究工作的开展提供参考。     

圆形浅基础地基极限承载力理论公式的改进

针对已有圆形浅基础地基极限承载力计算方法的假定条件、计算方法、屈服准则等的适应性特点,对圆形浅基础地基极限承载力的解析解进行了研究.假定地基整体剪切破坏面形态呈Prandtl-Reissner经典理论滑动面形状、地基土体破坏时为不变形的刚塑性体,且破坏面均服从Mohr-Coulomb屈服条件,根据刚塑性体的静力平衡条件,考虑破坏面上的摩阻力项,严格推导了圆形浅基础地基极限承载力的理论解,并与Vesic半经验公式以及其他解析解进行了对比,对比结果表明:考虑破坏面上的摩阻力σtan(φ)项能使承载力系数Nc和Nq提高,但二者随内摩擦角的变化规律有差异;本文理论解与Vesic半经验公式以及其他解析解相似,是对圆形浅基础地基极限承载力计算方法的进一步改进.     

软土地层盾尾注浆压力引起的地面隆起分析

目前已有盾尾注浆压力引起地面隆起的研究均假定盾尾注浆压力均匀分布,这与实际工程中盾尾注浆压力上小下大的形式不符。为更准确预测盾尾注浆压力引起的地面变形,在现有均匀注浆压力引起地面隆起分析的基础上,考虑软土地层盾构隧道施工中盾尾注浆压力上小下大的分布形式,将盾尾注浆对地层的压力效应视为半无限土体中柱形孔的扩张过程,利用镜像法和Mindlin解,推导出软土地层盾尾注浆压力引起的地面隆起计算公式,并通过工程实例,将本文解答、叶飞解答、林存刚经验公式解答、Vesic解答与数值解进行对比分析。结果表明:盾尾注浆压力引起的地面隆起横向曲线总体上呈高斯分布。在预测软土地层地面沉降时,忽视盾尾注浆压力引起的地面隆起是不合理的;用推导出的公式计算上小下大分布形式下盾尾注浆压力引起的地面沉降是可行的,Vesic公式和林存刚经验公式在应用时需要根据具体工程进行相应修正。     

方形浅基础地基极限承载力公式的改进

针对已有方形浅基础地基极限承载力计算方法的假定条件、计算方法、屈服准则等的适应性特点,对方形浅基础地基极限承载力的解析解进行了研究。假定地基整体剪切破坏面形态呈Prandtl-Reissner经典理论滑动面形状、地基土体破坏时为不变形的刚塑性体,且破坏面均服从Mohr-Coulomb屈服条件,根据刚塑性体的静力平衡条件,考虑整个被动区的极限平衡,严格推导了方形浅基础地基极限承载力的理论解,并与Vesic半经验公式以及其他解析解进行了对比,对比结果表明:考虑整个被动区的极限平衡能使承载力系数Nc和Nq提高,但二者随内摩擦角的变化规律有差异;本文理论解与Vesic半经验公式以及其他解析解相似,是方形浅基础地基极限承载力计算方法的进一步改进。     

低渗透性土体球形孔挤密注浆压力分析

针对低渗透性土体,选用Mohr-Coulomb屈服准则,对球形孔挤密注浆情况进行弹塑性分析,推导了挤密注浆压力计算公式。文中的理论计算结果与文献工程实测数据吻合较好,验证了理论公式的正确性。该结果为低渗透性土体挤密注浆加固设计提供了一定的理论依据,对工程设计较有参考价值。     

基于黏弹-塑性圆孔扩张理论压力注浆锚杆锚-土界面黏结强度计算方法

压力注浆锚杆在隧道、边坡、基坑等支护工程中应用广泛。为了预测锚杆在不同注浆压力下的锚-土界面黏结强度,将锚-土界面法向应力的发展过程分为2个计算阶段：压力注浆时锚孔扩张半径的计算和浆液硬化后界面法向应力的计算。在计算时,将锚孔扩张过程视为无限土体中的瞬时圆孔扩张问题,考虑塑性区土体服从统一强度准则,推导出压力注浆时锚孔扩张半径解答;然后,考虑土体的时变特性,引入黏弹-塑性圆孔扩张理论,采用Merchant模型推导出浆液硬化后界面法向应力随时间衰减的解答;最后,基于库仑抗剪强度公式,建立了压力注浆锚杆锚-土界面黏结强度的理论计算方法。为了验证所提计算方法的可靠性,采用自制的锚杆微元体压力注浆装置,制作了3种不同注浆压力下的锚杆试样并开展了拉拔试验。将获得的试验结果与所提理论计算结果进行对比,并结合已有的压力注浆土钉拉拔试验结果进一步验证。结果表明：提出的压力注浆锚杆锚-土界面黏结强度的理论计算方法能够准确的预测试验数据,可为工程设计提供参考。最后进行了参数分析,结果表明：锚-土界面黏结强度与注浆压力呈线性关系,注浆压力增大能有效提高锚杆的承载性能;锚-土界面黏结强度随着复合模量的增大呈现...     

高地温隧道围岩注浆节理不同法向应力下抗剪强度特性研究

采用高温变温的养护方法，制备初始养护温度分别为40，60，80 ℃与标准养护20 ℃的试件，在不同法向应力0.1，0.3，0.5 MPa下开展高地温隧道围岩注浆节理的直剪试验。结果表明:高温变温养护与法向应力都对注浆节理抗剪强度有明显影响。随法向应力增大，注浆节理抗剪强度不断提高，且随初始养护温度的增大，抗剪强度提高幅度更显著。高温变温养护的注浆节理抗剪强度会出现劣化现象；高温变温养护的注浆节理破坏模式主要表现为粘结界面破坏。     

饱水裂隙破坏模式及影响因素理论分析

深长岩溶隧道掘进过程中掌子面和隧道两侧壁将出现大量裂隙,裂隙在远场应力与水压力的共同作用下将发生扩张膨胀,使得通过裂隙的水流量增大并最终导致隧道发生大范围的突水突泥事件。受水压致裂技术的影响,一般认为裂隙内部水流作用的机制是由水力劈裂和水压扩径造成的。基于断裂力学和流体力学,在平面受力情况下求解含水裂隙发生劈裂破坏和压剪破坏所需的临界水压值,并将两者进行比较后发现,同一裂隙发生水力劈裂破坏所需的临界水压大于其发生压剪破坏所需的临界水压,得出压剪破坏是含水裂隙破坏的主要形式。     

低液限粉质黏土最大主应力差与含水率关系特征研究

粉质黏土天然孔隙比大,压缩性高,盾构施工中,经常会遇到粘附刀盘和地表沉降过大等问题。研究粉质黏土最大主应力差与含水率的关系,对减小刀盘粘附和控制地表沉降具有重要的意义。试验研究了应力水平和应力路径对主应力差关系特征的影响,获得了不同围压条件下土的抗剪强度的变化规律。结果表明:土样破坏特征为明显的鼓型破坏;粉质黏土对于含水率的变化非常敏感,2%含水率的变化都会使粉质黏土的强度发生明显改变;拟合出可用于估算一般低液限粉质黏土最大主应力差的经验公式。     

路堤下伏溶洞受力模式和变形破坏的数值模拟

为进一步揭示溶洞的受力模式和变形破坏过程,根据勘察结果建立考虑地层分布、溶洞形状、溶洞位置等因素的模型,模拟路堤分层填筑的过程,采用力法、强度折减法分析溶洞受力模式及其对破坏的影响。通过预埋钻孔多点位移计监测路堤填筑过程中溶洞及其上覆土层的变形破坏过程,并建立数值模型重现其破坏过程。根据应力状态和Hoek-Brown强度包络线,将破坏形式划分为张拉破坏、拉伸剪切破坏和压缩剪切破坏,并分析顶板倾角和洞穴形状对破坏形式、变形及稳定性的影响。基于抗弯理论,推导路堤容许填筑高度的解析解,并根据地应力和拱效应进行修正。结果表明：弯拉应力在拱效应和地应力的挤压作用下减弱,导致溶洞顶板进入剪切塑性状态,而非拉伸塑性状态;由于未能考虑拱效应和地应力的挤压作用,以往按照简支梁假设计算的弯拉应力结果偏大;矩形溶洞的顶板受力状态以拉剪为主,而椭圆形溶洞的顶板由于拱效应受力状态主要为压剪,实际形状溶洞的稳定性介于二者之间;顶板倾角（25°以内）对变形和稳定性影响不明显,但溶洞顶板的受力模式由压剪变为拉剪;为防止岩溶失稳,应控制路堤填筑高度,但现行规范中厚跨比大于0.8的规定过于保守,抗弯估算法优于厚跨比评价法,但仍偏保守,考虑地应力和拱效应的修正抗弯估算法最接近工程实际和数值计算结果。     

某隧道高地应力近水平岩层白云岩三轴试验研究

依托某高地应力近水平岩层硬脆围岩隧道,通过现场钻孔取芯进行岩芯三轴压缩试验。研究表明：白云岩在低围压下发生张拉劈裂和剪切破坏,在高围压下主要发生剪切破坏。通过三轴试验,得到高（30、35 MPa）低（10、15 MPa）不同围压下白云岩的应力-应变关系,通过绘制应力莫尔圆获得白云岩的强度参数：弹模E=31.91 GPa,黏聚力c=22 MPa,内摩擦角φ=47°,并得到白云岩的强度表达式,可为原岩应力的获取提供依据。     

含石量与含泥量对压实砾石土力学特性影响的试验

对于夹泥砾石土,在应力、颗粒组成、含水率等因素影响下,其变形特性非常复杂。针对重庆机场道路工程填筑中所用的压实砾石土,通过中型样三轴试验开展了一系列力学特性试验研究,重点分析了含石量与含泥量的变化对于压实砾石土力学性能的影响,及不固结不排水（UU）、固结不排水（CU）、固结排水（CD）3种条件下的抗剪强度与变形特性;同时研究了UU条件下,不同制样含水率对压实砾石土的抗剪强度的影响。试验结果表明：压实砾石土在低围压条件下表现出强烈的剪胀性;UU三轴压缩试验条件下,小含泥量的压实砾石土的强度取决于大粒径颗粒间的咬合力,与含石量成正比;初始拌和含水率对压实砾石土UU强度的影响很大,颗粒粒组中的泥粒在高于最优含水率下易产生滑动,影响其应力-应变性状并导致其抗剪强度大幅降低;饱和固结后,压实砾石土的强度与含石量并没有直接的联系,高含石量并不代表高强度,合理的颗粒级配是决定试样CU,CD强度的重要因素;压实砾石土中含泥量增加会导致其抗剪强度的降低。另外,含石量和含泥量对压实砾石土的临界状态影响不大,同种矿物成分、不同颗粒组成的压密砾石土在CU,CD试验下的临界应力比为1.73。