基于尺寸效应的节理岩体隧道开挖稳定性分析

节理岩体的开挖力学响应具有显著的尺寸效应,这对于研究隧道稳定性非常重要。运用离散单元法,模拟了相同隧道尺度条件下不同节理间距的4组情况。研究结果表明:①随着岩体节理间距减小,围岩结构类型由整体块状逐步转化为碎裂状,随之出现岩块松动脱落;②围岩塑性区、应力松动区以及节理张开区具有相似的分布规律,均随着节理间距减小而增大,但发生岩块松动脱落之前的尺寸效应不明显;③节理剪切滑移破坏区比张开区和岩体塑性区更大,且具有更加明显的尺寸效应,适合作为节理岩体隧道稳定性的判别指标。     

层状围岩节理倾角对隧道光面爆破效果的影响

同种爆破参数对不同类型地层开挖时体现的爆破效果相差明显,运用LS-DYNA软件建立不同倾角下不同层厚节理地层的隧道爆破模型,重点研究不同倾角节理时同种周边眼光面爆破参数下的爆破效果,以探明层状节理隧道爆破规律。结果表明：层状节理围岩下隧道爆破产生的超欠挖明显,且由于重力作用下节理岩块脱落效果及节理面上法向应力较小,超欠挖量随倾角的增大而减小;节理和岩体爆破时吸收的能量也与倾角呈正相关关系,且节理吸收能量约为岩体的15%～20%。     

高应力软岩隧道破裂碎胀米级大变形机理研究

深埋高应力软弱围岩频繁遭遇米级剧烈大变形灾害，但却面临其大变形灾变机理和过程认识不清等问题。采用有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)研究了高应力软弱围岩的破裂碎胀大变形过程，并研究了地应力量值、侧压系数和隧道断面形状对大变形灾变机制的影响。结果表明：(1)高应力软岩隧道大变形灾变力学机理为隧道开挖卸荷导致围岩产生破裂块体的碎胀性变形；(2)围岩大变形过程中的裂隙扩展过程、应力场和位移场结果表明，在静水压力状态下，围岩主要产生共轭剪切破坏，破裂的块体沿着主剪切带发生滑移并伴随着剪胀现象和翻转运动，使得块体间产生大量空隙，这些碎裂块体向隧道空间移动造成了隧道断面的急剧缩小，以致发生米级剧烈大变形灾害；(3)随着地应力量值的增加，围岩破裂程度和隧道表面最大位移迅速增大，后者呈现明显的非线性特征，而损伤破裂区半径增长较为平缓，当垂直地应力高达约58 MPa时，剧烈位移区内的岩体难以形成主剪切裂隙带，极为破碎的岩块呈整体向隧道内挤压态势，并产生大量空隙，造成隧道断面面积的急剧缩小；(4)在静水压力状态下，正方形隧道只对裂隙起裂、剧烈位移区形状和该区域内岩体位移模式产生影响，而在剧烈位移区范...     

考虑走滑断裂活动影响的公路隧道初始地应力场反演分析

为了使跨活动断裂带区域地应力反演结果更加符合实际，提出了考虑走滑断裂活动影响的公路隧道初始地应力场反演思路。通过在断裂带与两侧岩体之间建立接触单元，采用边界位移荷载实现了断裂带两侧岩体的相对挤压及滑动作用。依托华坪至丽江高速公路东马场1号隧道工程，对比分析了采用常规边界荷载和考虑走滑边界荷载2种情况下隧址区地应力场的反演结果。研究结果表明:考虑走滑边界荷载反演得到的地应力场更加符合实际且精度更高；常规边界荷载的最大残差为2.29 MPa，而走滑边界荷载的最大残差仅为0.66 MPa，其残差平方和也均小于常规边界荷载；在断裂带附近，考虑走滑活动影响的最大、最小水平应力值相对常规边界均有所减小，上盘岩体垂直应力也相对减小，下盘岩体受上盘岩体的影响垂直应力相对增大，符合跨断层岩体区域实际地应力场的分布规律；隧址区整体表现为水平应力大于垂直应力，以水平构造应力为主。     

岩溶隧道断续节理掌子面突水判据及灾变过程

为了给岩溶区隧道掌子面突水灾害的预警与防治提供理论支持,针对岩溶隧道掌子面断续节理防突岩体,从断裂力学角度分析了地应力和岩溶水压力等自然营造力作用下断续裂纹的压剪起裂属性以及分支裂纹尖端应力强度因子随水压和支裂纹扩展长度的变化规律,推导了断续节理岩体发生轴向张拉贯通破坏突水的临界水压力。运用两带理论和推导的临界水压力公式,建立了基于最小安全厚度的岩溶隧道掌子面断续节理防突层失稳突水判据,并分析了掌子面前伏岩溶水压力、断续主裂纹长度、断续裂纹排距及裂纹与最大主应力夹角等对防突层最小安全厚度的影响规律。采用可考虑流固耦合效应和岩体结构特征的三维离散元数值分析方法,研究了岩溶隧道近接前方高压富水溶腔顺序开挖中掌子面防突层岩体位移场、渗流场等演化规律及其临突特征。数值模拟结果表明：随着岩溶掌子面的不断推进,掌子面防突层岩体挤出位移逐渐由单一卸荷引起向卸荷和前伏岩溶水压共同影响过渡;掌子面各测点位移及位移增加幅度均持续增大;掌子面挤出位移和掌子面水流速度在突水通道即将形成时出现激增和突升现象,具有明显的突水前兆特征。     

开挖跨度对隧道围岩稳定性影响研究

通过建立有限元、离散元两种数值力学模型,开展开挖跨度对隧道围岩稳定性的影响规律研究。结果表明:在不考虑洞室形状影响的前提下,当围岩按连续介质假设,且开挖后仍处于弹性应力状态时,单纯增加隧道开挖跨度对围岩应力状态影响不大;但若开挖后进入弹塑性应力状态,则单纯加大开挖跨度会导致塑性区半径大幅度增加,影响围岩稳定。当围岩按非连续介质假定时,岩体失稳主要呈现节理面间剪切滑移。开挖跨度增大相当于隧道跨度与岩块的相对尺度增大,隧道关键块体失稳概率加大,对于相同产状节理岩体,关键块体出现部位相同;另一方面,跨度增大引起在隧道开挖的应力扰动区内遭遇节理的组数增加,组数越多,岩体越破碎,失稳概率越大,且失稳模式各有不同,增加了支护难度。     

爆破对顺层岩质边坡稳定性的影响

爆破作为边坡开挖的一种快速有效手段,广泛应用于土建施工中;而其爆炸冲击和爆轰气体对岩体节理面的锲入作用,对临近爆破区的边坡稳定性有负面影响。建立考虑爆破作用对边坡影响的计算模型,采用极限平衡法,从静力状态、爆破松动破坏、爆破振动3方面定量分析爆破作用对边坡的影响,并通过实际算例,对边坡稳定性进行分析计算,以验证爆破对边坡稳定性的影响。     

隧道开挖流体-固体耦合分析在复杂断裂岩体中的应用

基于某隧道工程,通过建立模型,研究了隧道开挖流体-固体耦合分析在断裂岩体中的应用。结果表明,在左隧道开挖后,围岩应力分布特征改变明显,应力距离隧道边缘越远变化越小,在洞半径约6倍以外的岩体,应力分布特征恢复到初始应力状态。在隧道拱顶,有较大沉降位移产生,拱腰水平收敛位移较大,拱底隆起变形较大。位移离洞边缘越近,变形越大,离洞边缘越远变形越小,围岩位移基于隧道中线为对称轴呈对称分布。与应力场作用下的应力相比,耦合作用下临近隧道围岩的应力高出约0~2.4 MPa,拱底处的应力要高出0~0.89 MPa。在耦合作用下,隧道洞周位移要大于应力场下的位移,在地下水渗流过程中,应力场发生明显的变化。在渗流场和流固耦合作用下,隧道水头分布情况基本一致,渗流场受应力场影响较小。     

以隧洞开挖为例研究影响裂隙岩体渗透性的因素

UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,可用来分析裂隙岩体洞室开挖后,因围岩应力与水力耦合作用导致裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。为了更为直观地了解耦合作用对裂隙岩体渗透特性的影响,本文以隧洞开挖为例,用开挖后隧洞内总涌水量来表征岩体的渗透特性。利用数值试验的方法,研究了块体边界、初始应力比、裂隙隙宽、裂隙夹角对开挖后隧洞内涌水量变化的影响,进而可以得出它们对裂隙岩体渗透性的影响。本文的主要结论为：随着块体尺寸和初始应力比的增大,隧洞内总涌水量减少;随着初始隙宽增大涌水量增大并当达到某一固定值后保持不变;隧洞涌水量在θ2/θ1=3.5,其中θ1=30°,即2组节理的夹角为75°处达到最大。     

动态荷载下地下深开挖岩体安全性评估模式的研究

分析探讨了地下深开挖岩体在动态荷载下的稳定性及安全性,使用有限元法,以研究区曾经发生的地震数据为基础,并考虑不同回归期的动态荷载情况,仿真各种动态荷载下岩体应力增量,配合Mohr Coulomb破坏准则评估其安全性。研究发现： 岩覆越深,初始静态安全系数越低,最低处则会出现在隧道上方拱顶位置,地震力引起的安全系数增量则随着深度的增加而减小。     

基于PFC3D仿真重演的加载及卸载岩爆破坏特征研究

以兰-海高速公路桐梓隧道灰岩为研究对象,进行室内力学试验,并基于三维颗粒流程序PFC（particle flow code）进行加载和卸载岩爆试验数值模拟,得出不同应力状态下岩样的细观破坏特征。研究结果表明： 1）加载试验中岩石应力变化、颗粒位移、黏结破坏特征及能量变化情况均表现出3个阶段,即弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。2）岩石加载强度随着初始应力的增大而增大,岩石储存的极限应变也随之增大。3）应力越大,卸载试验岩爆倾向及强度越大,这是由于岩石破坏时应力由卸载面转移到内部,导致岩石内部应力集中;在其他条件不变的情况下,初始应力越大卸载岩爆强度越大,径向应力增大对硐室围岩稳定性有着更不利的影响。4）岩石加载和卸载条件下岩石的破坏具有较大区别。     

单轴压缩下不同长度单裂隙岩体能量损伤演化机制

为探寻裂隙岩体变形破坏过程中内在的能量演化机制,基于岩石能量耗散理论和室内试验数据,研究了单轴压缩条件下单裂隙岩体变形破坏过程中各能量指标(总能量、弹性应变能及耗散能)演化规律,分析了裂隙长度变化对岩样力学特性、破坏模式、各能量指标及峰前能量突变幅度的影响规律.研究结果表明:裂隙岩体的峰值强度、峰值应变及弹性模量均随裂...     

加筋土挡墙变形和受力特性原位荷载试验研究

为了研究加筋土挡墙在路基面荷载作用下的受力和变形特征,通过拉拔与原位荷载试验,进行了加筋土墙体水平土压力、墙面水平变形及拉筋应力等分布规律的研究。结果表明:筋材应力沿其长度方向呈单峰值分布,峰值距墙面1.5 m处;加载初期墙面水平位移沿墙高呈反"S"形曲线分布,极值位于墙顶和中下部;路基面荷载作用主要影响挡墙上部土压力分布,相应的侧向附加土压力近似呈倒三角分布;由于加筋土的扩散、卸载成拱效应的影响,使得竖向附加土压力向下衰减比传统挡土墙更快。     

基于爆破损伤隧道初支与掌子面合理距离研究

基于钻爆法,研究在围岩损伤条件下初期支护滞后掌子面不同距离时隧道稳定性。利用声波检测隧道爆破开挖后围岩的扰动损伤,将隧道支护时机与施工时初期支护滞后掌子面距离相结合,通过FLAC3D数值模拟分析不同初支滞后距离下围岩的位移量、应力大小,得到在该工程地质条件下,随着距离的增加,围岩位移量略有增加,围岩应力降低,并最终趋于稳定,根据其变化规律分析可得初期支护滞后掌子面12 m的情况下围岩能够自稳。实践证明,不仅取得了良好的光面爆破效果,而且有效地控制住围岩超欠挖,从而取得较大的经济效益。     

竖向重复加卸载下倾斜桩复合地基变形规律试验（双语出版）

施工不当或者侧向堆载、开挖常常导致桩身倾斜，扶正难度较大，且目前对倾斜桩复合地基的变形性状缺乏相关研究，其可能导致新的工程病害，基于此，设计模型箱和加载装置，对竖向重复加卸载下倾斜桩复合地基变形规律开展试验研究。结果表明：循环加载过程中，倾斜桩顶及其复合地基沉降和侧移均随荷载增大而增大，其增长率随荷载增大而增大、随加载次数增大而减小；卸载过程中，卸载初期的倾斜桩顶及其复合地基沉降和侧移变化不明显，最后1～2级低压力时才出现弹性变形；相同荷载作用下，桩顶沉降量随倾斜角增加而增大，倾斜桩存在“沉降临界倾斜角”（试验前3次加卸载循环其值为6°），随土体密实度提高而降低，倾斜角小于该临界值时，倾斜对桩的沉降影响不大，反之，桩顶沉降量随倾斜角增加而快速增大；倾斜桩存在“侧移临界倾斜角”（试验为9°），为侧移峰值对应倾斜角；倾斜角度小于该临界值时，桩顶侧移随倾斜角增大而增大，反之，桩顶侧移随倾斜角增大而减小，“侧移临界倾斜角”大于“沉降临界倾斜角”；相同荷载作用下，倾斜桩复合地基的沉降大于倾斜桩沉降，而侧移比倾斜角6°桩大，比倾斜角12°桩小，桩身倾斜时，倾斜桩与复合地基的侧移量远比其沉降量小，但是侧移比沉降更为敏感。工程中，应尽量减少桩身倾斜，降低倾斜桩及其复合地基的沉降量和侧移量。     

围岩侧限对自膨胀锚杆性能影响效应研究

大掺量膨胀剂水泥浆作为锚固体的新型自膨胀高强预压锚固技术可显著提升锚杆抗拔力,为研究该技术在围岩侧限条件下的锚固性能,研发了模拟地应力条件下岩体锚固的装置及方法,并开展了不同围岩侧限等级、不同膨胀剂掺量条件下锚固体膨胀应力实时监测及拉拔试验,分析了膨胀应力演化规律、锚固破坏形态及抗拔力提升机理、锚杆界面力学特性及锚固系统破坏耗能规律。结果表明:①内界面应力存在随时间的损失效应,损失率随掺量呈线性递减的关系;定义了协同应力,指出内界面应力峰值与协同应力峰值存在滞后时差,并从应力传递的角度解释了其力学机制。②拉拔过程中微扩头"卡"在锚孔内并不断上移形成了该锚固体系独特的"荷载平台效应",极大提升了锚固系统的延性及破坏极限耗能值,并绘制了该效应的力学机制图;建立了自膨胀锚杆的极限抗拔力预测模型,指出初始侧限应力值对极限抗拔力呈指数式影响,表明在工程运用中侧限约束强的围岩能大幅提升锚杆极限抗拔力。③引入自膨胀影响系数λ、围岩侧限影响系数k,建立了自膨胀锚固体系的锚杆界面力学公式及能量方程,并结合算例验证了公式的可行性;得出0.7 MPa初始侧限应力条件下,ω=30%的锚固极限抗拔力较普通锚固提升了2.38倍,锚杆峰前位移量提高了1.08倍,锚固系统峰前耗能值提升了6.34倍。     

河谷边坡变形破坏的FLAC3D数值模拟

结合贵州香树坪滑坡所处地质环境，利用FLAC3D数值分析软件，模拟软硬互层斜坡在河谷边坡形成过程中的应力变化及变形破坏特征。分析得出:初始应力场中，σv垂直应力均为压应力，近水平平行分层分布，由坡顶向深部基本呈线性递增，增加梯度大致与岩体平均重度等同；最大主应力方向近垂直方向，随深度线性递增。随河谷下切，河谷边坡岩体在卸荷作用下引起内部应力重分布，局部应力集中，最大主应力迹线发生偏转，越接近临空面越与之平行，最小主应力则与之正交；坡体由于开挖卸荷，坡表回弹变形明显，根据监测点位移值，坡顶到坡脚变形呈由小变     

红砂岩顺层岩质边坡开挖变形特性分析

红砂岩顺层岩体边坡由于胶结物质和风化程度的差异,其强度的变化较大,在开挖卸载、自重应力、爆破震动等作用下,极易发生变形破坏,影响边坡的施工进度。因此研究红砂岩顺层岩质边坡开挖变形特性十分有必要。以垄茶高速公路典型路堑边坡为依托,分析了红砂岩的物理力学性质,采用ADINA有限元软件计算开挖变形位移,将计算结果与开挖变形监测结果进行对比分析,所得计算位移量与实测位移量基本一致,验证了用ADINA中的Mohr-Coulomb材料模型计算红砂岩顺倾岩质边坡开挖变形位移的可靠性。