乌尔禾岩沥青改性东海基质沥青掺量研究

在对乌尔禾岩沥青和东海基质沥青两种原材料性能研究的基础上,结合国内外岩沥青改性沥青的研究成果,选取5%、10%、15%、20%四种岩沥青掺配比例,进行改性沥青试验研究,通过对不同掺量下的改性沥青性能检测,对比分析试验结果,同时结合考虑经济因素,得出新疆乌尔禾岩沥青改性东海沥青的性能改善效果最明显、性能价格比最优,且低温性能不受损害的最合理掺量。     

隧道水平围岩压力计算方法(英文)

分析了采用中隔壁法施工时隧道中隔壁的变形特性,研究了中隔壁变形和水平荷载之间的内在关系,提出了一种新的隧道水平围岩压力计算方法。采用结构力学分析理论,建立了中隔壁变形和水平围岩压力之间的关系,利用中隔壁变形监测数据,得到水平围岩压力。基于天恒山土质浅埋隧道Ⅴ级围岩,采用谢家烋法计算的水平围岩压力为88～145kPa,采用新算法计算的水平围岩压力为110kPa。其中,当围岩摩擦角为45°时,采用谢家烋法计算的水平围岩压力为115kPa,与采用新算法计算的水平围岩压力接近,两者相差5kPa,验证了新算法的可行性。     

扩建小净距公路隧道施工力学分析

利用有限元模型分析了扩建小净距隧道在不同净距下隧道围岩、中夹岩柱、锚杆及初衬的受力特征。研究结果表明:扩建小净距隧道围岩的屈服区主要集中在拱脚部位,拱脚部位的隧道支护结构应有所加强,当净距大于1/2 B时,中夹岩柱受力状态受净距的影响很小;隧道外侧锚杆轴力约为内侧锚杆轴力的4～5倍。     

硬岩中塔柱式车站合理埋深及结构净距研究

我国地铁在北京、上海以及广州等地以砂土松散地层为主,地铁车站暗挖施工主要采用复合式衬砌结构型式。对于在中-微风化硬岩中修建地铁车站,如何充分利用围岩本身条件,因地制宜十分必要。在不同围岩条件下,对不同埋深、结构净距车站选择合适的支护结构（如锚喷支护）型式,不仅可节约成本,还可节省工期。结合青岛地铁3号线硬岩特点,采用有限差分数值软件,研究在不同埋深以及不同结构净距条件下,地铁车站开挖过程中围岩状态以及塑性区分布规律,结合三维数值模型进行节点检验,提出硬岩中地铁塔柱式车站采用不同支护结构型式的合理埋深和结构净距建议值。     

穿越破碎带隧道掌子面力学模型及最小安全厚度研究

隧道穿越断层破碎带的稳定性及安全防护问题是目前隧道建设的难点。针对隧道掌子面前方存在破碎带松散岩土体的典型工况,基于隧道围岩以及掌子面的力学特性,采用理论计算、数值模拟、工程实践相结合的手段,提出了掌子面稳定岩体的最小安全厚度计算方法,并对隧道掌子面前方破碎带的预加固及处治方案进行了探讨。首先,建立了破碎带-岩板力学模型,将掌子面的岩体等效为受荷载作用的岩板,对受破碎带压力的岩板最小安全厚度展开计算分析,得到了岩板厚度与岩层倾角、破碎带有效高度的关系表达式,并对帷幕注浆处理参数进行了优化;随后基于理论计算结果,与某隧道穿越破碎带施工中因未控制掌子面岩体厚度而导致隧道失稳的典型案例展开对比分析;最后结合Comsol Multiphysics软件开展数值仿真模拟,分析了不同岩层倾角、隧道埋深、注浆预处理参数等因素对掌子面岩板最小安全厚度的影响。结果表明：理论计算、工程实际与数值模拟结果具有较好的一致性;正常施工时掌子面最小安全岩板厚度随破碎带有效高度的增大而增大,随岩层倾角增大而减小,故应在达到安全厚度之前对破碎带进行预支护;在选用帷幕注浆方法对破碎带进行预处理时,最小安全岩板厚度随着岩层倾角的增大而减小,此时在注浆过程中需要保留较大的安全厚度,同时控制注浆压力。     

隧道危石识别及防控研究现状与发展趋势

隧道危石垮塌防控是隧道安全建设面临的重大理论与技术难题,针对危石垮塌机理复杂且缺乏有效的探测技术及方法,难以对其实现有效防控的问题,在系统整理国内外研究资料的基础上,从隧道危石地质调查、危石识别理论、危石监测及控制方法3个方面总结了隧道危石识别与防控的研究现状。在隧道危石地质调查方面,数字罗盘接触测量、近景摄影测量、激光扫描已成为支撑隧道危石地质调查发展的三驾马车,初步形成了基于结构面网络模拟的三维岩体结构信息集成分析方法;在隧道危石识别方面,危石静态及动态识别理论研究取得长远发展,初步形成了静-动结合的隧道危石稳定性判识方法;在隧道危石监测及控制方面,虽然做了一些工作,但尚未形成有效的隧道危石监测及控制技术方法。随后结合笔者团队正在开展的研究工作,系统阐述了现有隧道危石防控理论及技术的不足,并对隧道危石防控对策进行了相关探讨,认为隧道危石防控的研究重点和趋势有以下3点：物-钻-表三位一体的岩体结构探测方法;岩体结构模型跨尺度联合重构方法;隧道危石"点-域"同步监测及靶向控制技术。研究结果可为广大研究者和应用者提供了一个探讨的基本框架,并为本领域研究提供了一定的参考。     

考虑层间黏聚力的水平层状围岩隧道顶板力学模型计算

水平层状岩体力学性质不仅受岩层组合和结构面控制,而且与层间黏聚力密切相关。水平层状围岩隧道在施工过程中对层间黏聚力考虑不当时,极易造成设计支护参数不合理,导致拱部掉块落石、离层、弯折,甚至局部坍塌、超欠挖等工程问题,严重影响工程安全、施工质量和建设进度。目前水平层状围岩隧道顶板一般简化为锚固梁和简支梁模型,但未考虑层间黏聚力。根据水平层状围岩隧道开挖的不同阶段,将隧道顶板分别简化为开挖初始阶段的锚固梁模型和施工扰动后的简支梁模型,并利用顶板梁体模型的协调变形条件,得出梁模型的层间黏聚力计算公式。以大梁峁隧道为工程依托,分别应用考虑层间黏聚力和不考虑层间黏聚力的梁模型进行隧道临界开挖跨度计算。结果表明：考虑层间黏聚力和不考虑层间黏聚力对水平层状围岩隧道临界开挖跨度影响较大。考虑层间黏聚力时,锚固梁模型临界开挖跨度为3.36~4.75 m,简支梁模型临界开挖跨度为2.74~3.88 m;不考虑层间黏聚力时,锚固梁模型临界开挖跨度为0.14~0.30 m,简支梁模型临界开挖跨度为0.12~0.24 m。结合大梁峁隧道工程现场,隧道开挖跨度3~6 m时,拱顶会出现平顶现象,产生离层和掉块,因此考虑层间黏聚力的水平层状围岩隧道顶板力学模型更符合工程实际情况。     

镶齿滚刀破岩机理及效率的旋转破岩试验

随着隧道工程建设的不断增多,镶齿滚刀已被广泛应用于多种开挖机械,如隧道掘进机、反井钻机、采掘机等,不同破岩参数下镶齿滚刀的破岩机理及破岩效率研究,对提高机械掘进效率、降低施工成本有重要意义。应用北京工业大学自主研制的多功能机械破岩试验平台,选用直径304.8 mm（12英寸）的镶齿滚刀对尺寸为1 000 mm×1 000 mm×600 mm的北山花岗岩进行旋转切割破岩试验研究。通过对排齿及整刀进行不同贯入度的旋转切割试验,并应用荧光裂纹检测法对侵入坑下方裂纹进行检测,研究镶齿滚刀的破岩规律。结果表明：①镶齿滚刀为"递进式"破岩,破岩开始于相邻小齿间距的球齿之间,而后发展到相邻的大排间距的球齿之间;②第3排球齿破岩效率最高,且整刀在贯入度为1.5 mm时破岩效率最高;③应用荧光裂纹检测法分析滚刀下方岩体裂纹分布特征,发现每排球齿下的裂纹扩展方向及范围存在较大差异。裂纹分布特征分析结果与通过滚刀力、岩片分析得出的镶齿滚刀破岩效率的结论相一致。该研究可为机械开挖设备滚刀布置、刀型优化及施工运行参数优化提供试验参考和理论依据。     

破碎岩体注浆加固后的力学特性研究（双语出版）

基于理论分析建立破碎岩体注浆加固体力学模型,通过室内试验制作加固体试样并开展单轴抗压试验,分析破碎岩体含量、破碎程度、界面粗糙程度以及注浆材料黏结性能等因素对加固体强度的影响。试验表明：注浆加固体试样在单轴压缩破坏过程中,其内部石块基本保持完整性,破坏主要产生在交界面以及注浆材料内部;当V_BP较大时,在碎石体的阻隔作用下,破裂面无法一次性产生,且多为剪切型破坏;当V_BP较小时,压缩破坏过程中直接形成了上下贯通的破裂面,且多为拉断型破坏;对于未加固的破碎岩体,其强度随V_BP增加而减小,且强度离散程度较大;加固后其强度随V_BP的增大而增大,整体强度大幅提高,同时呈现出明显的线性相关性;加固体强度随碎石数量的增加而减小,二者的线性相关性不显著;加固体强度随着注浆材料黏结强度的增加而增加,随交界面体密度的增加而减小;交界面体密度与黏结强度相互影响,总体强度是二者耦合作用的结果。基于加固体力学模型以及单轴抗压试验数据提出了加固体强度计算公式,该公式考虑了破碎岩体含量、破碎程度、界面粗糙程度以及注浆材料黏结性能等因素对加固体强度的影响。通过与实际试验数据比较,证明了该公式可以较好地对破碎岩体加固强度进行预测。     

考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形解析解

为了得到考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形解析解,基于复变函数理论引入一种新的考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形的求解方法。首先,为克服非圆形隧道断面、注浆圈几何形状和考虑衬砌支护造成的计算困难问题,引入了保角变换及复变函数幂级数解法。通过采用最优化解法确定保角变换中各项系数,得到计算模型映射函数。其次,通过幂级数复变函数法和弹性力学连续性条件克服隧道衬砌以及围岩注浆圈带来的多连通域问题,确定应力函数各项系数。随后,将得到的应力函数代入应力、位移方程求解考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形值。最后,将新方法所得结果分别与未考虑注浆作用的非圆形隧道应力及位移解和数值模拟计算结果进行对比分析。研究结果表明：注浆后注浆圈环刚度增大,整体性提升;衬砌变形减小,衬砌受到的围岩压力减小;围岩注浆有效改善了衬砌受力状态,使衬砌拱顶下沉减小约21.8%,拱底隆起减小约18.1%,拱脚附近法向应力减小约19.9%,环向应力减小约8.9%;围岩注浆可以有效加固岩体,封闭隧道周边岩体裂隙,改善衬砌受力状态,提高隧道抵抗变形和破坏的能力;解析解与数值解吻合较好,所得规律符合工程实际规律。研究结果可为考虑注浆加固作用下的非圆形隧道开挖问题提供一种新的快速、准确的计算方法,并为考虑注浆加固作用的非圆形隧道数值计算和安全运行提供参考依据。