降雨作用下浅埋隧道松散围岩塌方机制

为揭示降雨作用下浅埋隧道松散围岩塌方机制,基于突变理论,建立浅埋隧道塌方的尖点突变模型.考虑不同本构关系的隧道围岩组合,分别推导双层应变软化介质、单层应变硬化介质及应变软化介质组合的围岩失稳力学判据,分析诱发塌方的主要影响因素,揭示雨水入渗作用下浅埋隧道塌方机理.以马鞍山隧道为工程案例,运用地表沉降监测数据进行浅埋隧道塌方突变预测.研究表明,浅埋隧道塌方力学判据可有效用于塌方机制分析,用地表沉降数据预测浅埋隧道松散围岩塌方更为合理和符合实际.     

浅埋软岩段隧道进洞施工变形特征与失稳分析

为研究隧道开挖过程中浅埋软岩段塌方变形特征,对隧道地质情况进行有效辨识,结合隧道施工过程围岩监测数据,并依据地质雷达探测结果建立三维数值模型并进行数值分析。研究结果表明:在隧道开挖阶段,拱底与拱顶位置均出现明显塑性区,伴随掌子面逐渐靠近围岩破碎区域,塑性区范围逐渐扩大并向拱顶右上方及围岩内部转移,破碎区域应力水平较低且位移显著增大,围岩完整性大大降低;不良地质构造是隧道发生塌方大变形的主要原因,降雨和地表水的入渗劣化围岩力学性质加速了隧道灾害的发生。对于隧道五级围岩浅埋段施工,应加强监控量测分析并及时做出预警,对关键部位开展超前地质预报工作。研究结果可以指导隧道塌方灾害的防治,对于实现隧道信息化施工具有借鉴意义。     

关中Q_2黄土流变特性及宏观流变试验研究

为研究关中Q2黄土在不同压应力和含水率下的变形规律,以关中Q2黄土为研究对象,建立了黄土流变模型,对不同压应力和含水量下关中Q2黄土进行宏观流变试验,利用数值分析和力学分析方法对关中Q2黄土在不同压应力和含水率下的流变特性试验数据进行了系统分析,得到了不同压缩荷载和含水率下Q2黄土的流变曲线,给出了考虑含水率和应力影响的分时叠加流变曲线数学模型.试验结果表明:Q2黄土湿陷流变呈两阶段变形,第一段呈现为减速变形,流变曲线呈对数变化,第二段呈现为稳定流变,流变曲线呈线性变化;加载应力与含水率对流变的影响呈正相关,曲线变形趋势一致.     

增湿条件下膨胀土隧道围岩的稳定性

增湿条件下,膨胀土的强度会降低并产生膨胀力,在两者的共同作用下,膨胀土隧道围岩稳定性会严重降低,有必要研究增湿条件下膨胀土隧道围岩的变形和衬砌受力。采用室内试验和数值模拟的方法对膨胀土隧道围岩稳定性进行研究,对不同含水率的重塑膨胀土进行剪切试验,得出摩擦角、黏聚力与含水率的拟合关系式,运用ABAQUS有限元软件对膨胀土隧道开挖过程进行仿真分析,并利用温度场模块模拟隧道围岩增湿膨胀,得出隧道增湿前后应力与位移的变化规律,同时设计正交试验,分析各因素对膨胀土浅埋隧道稳定性的影响。结果表明：围岩增湿之后,围岩拱腰处的应力值增加明显,拱顶和拱底处应力值减小;衬砌的拱底处纵向位移值增加,拱顶处纵向位移值减小。通过设计正交试验,采用极差和方差分析得到对膨胀土浅埋隧道围岩稳定性影响最大的因素为增湿强度,其次为覆跨比、膨胀厚度和膨胀系数。     

基于各向异性本构模型的隧道支护控制

为了采用传统的力学模型来描述各向异性条件下隧道的受力特征与变形分布规律,作者基于空间滑动面理论的各向异性弹塑性本构模型,通过C++编程形成动态链接库dll文件,进行了FLAC3D各向异性弹塑性本构关系的二次开发.模拟分析结果表明,在各向异性条件下,隧道锚杆受力呈非对称分布的状态,经破坏区锚杆加长后模拟分析,围岩塑性区明显减小,且锚杆受力趋向均匀.通过胶州湾隧道接线工程现场应用,基于各向异性本构关系的隧道关键区支护控制是可行的.     

不同掌子面间距下浅埋偏压小净距隧道稳定性研究

浅埋偏压小净距隧道结构特殊,两主洞同时施工时掌子面间距的合理选择对隧道稳定性尤为重要。以延崇高速公路头炮隧道为背景,通过ANSYS及FLAC3D软件建立隧道模型并进行数值模拟,采用了双侧壁导坑法先开挖深埋侧隧道的基础上,将规范中建议的小净距隧道施工时掌子面间距为1～2倍洞径的范围细化为4种不同工况,从隧道上部边坡位移、围岩位移及应力、初衬变形及应力、塑性区体积及锚杆受力等方面进行隧道稳定性的分析,最终得到两主洞掌子面保持2倍洞径时施工隧道稳定性最好,可为本工程及相似工程提供参考。     

哈尔滨地铁粉质黏土力学性质与超前支护方式

依托哈尔滨地铁项目,进行不同含水率情况下的粉质黏土的力学性质和超前支护方式选择研究。通过对哈尔滨地铁土样进行室内性质试验,包括含水率试验、土三轴试验等,确定哈尔滨地铁土样为粉质黏土及得到了不同含水率试样的力学性质,并通过液性指数对哈尔滨地铁隧道围岩进行亚级级别划分;介绍哈尔滨地铁现场监测的情况,包括现场位移与应力监测,并将监测数据与数值模拟结果进行对比,确定了数值模拟的正确性;进行不同地层参数与不同超前支护情况下的数值模拟,通过对比不同情况下的位移、应力、应力路径以及塑性区大小,得到不同等级围岩情况下的隧道超前支护方式的选择。本研究对于哈尔滨地铁隧道超前支护方式的选择具有一定的指导意义。     

地铁移动荷载作用下地基沉降的弹塑性分析

土体本构、隧道-地基模型与地铁荷载模拟是长期地铁移动荷载作用下地基土沉降研究的三个关键因素.本文以Drucker-Prager塑性本构模型表示土体应力-应变关系,采用与不平顺管理标准相应的激振力来模拟列车竖向动荷载,使用FLAC3D软件建立了地基结构的空间模型,详细探讨地铁隧道地基土沉降在不同加载次数下的动力反应和沉降规律.研究结果表明:埋深对地基土沉降的影响明显,随着埋深的减少,地基土的沉降逐渐增加;对于长期动荷载作用下的地基变形问题,采用塑性本构模型更能符合实际工况.     

极浅埋富水砂层地铁横通道注浆加固与开挖稳定性

针对极浅埋富水砂层地铁隧道横通道可能出现的施工安全问题,采用室内实验、理论分析及数值模拟的方法,对隧道进行注浆加固试验及开挖工法的优选,提出一套适用于浅埋富水砂层横通道的注浆加固工艺及开挖工法。认为注浆加固可有效提高砂层的物理力学参数和土体力学性能;支护时间越迟,围岩变形越大,预加固可有效提高围岩的物理力学参数,降低围岩变形,改善地层的应力—应变关系;对台阶法与CRD(交叉中隔墙法)法开挖后拱顶沉降、应力及塑性区分布特征进行了对比分析,通过现场开挖监测量控与数值分析的对比,验证了该工艺的可行性,该研究可为类似工程提供一定的借鉴和指导作用。     

浅埋偏压隧道进洞施工围岩稳定分析

针对破碎岩体浅埋偏压隧道围岩稳定性问题和进洞工法的取选,选用ABAQUS有限元软件对广西岭顶隧道分别采用三层台阶法、中隔墙法和双侧壁导坑法施工进行数值模拟研究,分析不同施工方法下围岩及支护结构的应力、应变及塑性区分布变化等情况。结果表明:由于隧道存在明显的浅埋和偏压作用,进洞适宜采用中隔墙法和双侧壁导坑法施工作业,能较好地保证隧道的稳定性。在该工程条件下,中隔墙法对拱顶和地表的沉降变形控制较好,而双侧壁导坑法对拱腰处的变形控制更佳。中隔墙法支护结构的内力和弯矩主要集中在拱顶左侧。双侧壁导坑法支护结构的内力和弯矩左右两侧对称分布,隧道拱顶正上方锚杆受力较小。进洞开挖步距不宜过大,确定每次开挖在2 m以内即可。     

黄土路基边坡降雨响应的试验研究

为了研究降雨入渗对黄土路基边坡孔隙水压力（吸力）、含水量、变形等的影响,选取甘肃平-定高速公路上某段9 m高的填方路基边坡进行了4场人工降雨模拟试验并持续现场监测一个月。监测结果表明：人工降雨模拟引起浅层土体（1m以上）吸力明显下降和含水量增大,致使土体有效应力减小,抗剪强度降低;另外雨水冲刷引起坡面冲沟发育,导致雨水入渗增大和土体强度的进一步衰减。压实度最小的坡脚处降雨引起的湿陷变形最大。在持续降雨的条件下,湿陷变形的发展会导致坡底的沉陷,最后发展为滑坍破坏。从减少雨水入渗,减小土体的强度损失以及控制湿陷变形等方面综合考虑,提高黄土路基边坡的压实度对防止降雨导致的边坡失稳具有重要意义。     

考虑楼梯的钢筋砼框架结构动力弹塑性分析

为了研究楼梯对钢筋混凝土框架结构的动力弹塑性影响,在结构基本运动方程基础上,利用层变形协调关系,建立了考虑楼梯作用下钢筋混凝土框架结构的运动方程,采用附加系数法简化运动方程,选用钢筋混凝土的三线性本构关系,应用Matlab 2010对某住宅楼结构进行弹塑性时程分析.结果表明:楼梯对结构整体的弹塑性响应有明显影响,考虑楼梯的影响能够控制结构的弹塑性变形,当增加刚度在30%~50%之间时变形相对稳定,在工程设计中应考虑楼梯对结构的整体影响.     

浅埋偏压隧道边坡稳定性分析

基于有限元软件建立三维弹塑性模型，依托某隧道边坡工程，探讨了"锚杆+抗滑桩"联合支护参数对边坡稳定安全系数以及最大剪应变的影响，进而得到最佳支护方案。通过现场监测结合数值模拟，对比了有无该支护方案下边坡及隧道的围岩变形特征，利用抗滑桩应力与锚杆轴力的分布特征，再次明确该方案的支护效应。结果表明：最佳支护方案为方案A （抗滑桩14 m、锚杆14 m），支护后的边坡安全系数显著提高，抗滑桩与锚杆相比对边坡的安全系数影响更大；相较于无加固工况，联合支护下边坡的水平位移与竖直位移显著降低，土体变形区范围明显缩小；抗滑桩体主要承受压应力，最大值出现在桩中部，总体呈现"中端大，上下两端小"的分布模式；锚杆轴力随着锚固深度增加呈现线性减少趋势；隧道变形实测数据与数值模拟结果基本吻合，联合支护方案对控制隧道变形有显著效果。     

一种考虑多种强化机制的黄土本构关系

将黄土材料的含水量和变形历史引入到内时定义中,利用与热力学相一致的简单机械模型发展了黄土的偏应力应变本构关系。用所建立的本构方程分别描述了马兰黄土在不同围压和不同含水量条件下的应力应变响应特性,取得与现有实验相吻合的结果。所提出的考虑围压和含水量的黄土本构模型对黄土在各种复杂载荷作用下变形与破坏现象的研究具有一定参考价值。     

降雨促发黄土滑坡的启动机制模拟

黄土滑坡和降雨关系尤为密切。为深入研究降雨入渗对滑坡的促发作用,在对陕西西安地区“9?17”灞桥滑坡现场勘察的基础上,利用数值模拟方法系统研究了黄土边坡在降雨入渗条件下土体相关物理力学指标的变化响应特征及时空分布规律; 从滑动面安全系数变化的角度分析了边坡的失稳过程,并揭示了该类滑坡的启动机制。结果表明:①降雨入渗首先引起坡面土体的基质吸力逐渐降低,而且不同分布位置的降幅不同; ②滑坡启动前,坡体的高体积含水量范围随降雨明显扩大,且体积含水量表现出从古土壤层向邻近黄土层递减的规律; ③边坡的水平方向位移自坡面中部向坡体的上下部呈放射状递减特征,垂直方向位移由上至下逐渐减小,而临界滑动面的安全系数也随降雨入渗过程逐步递减; ④节理处土体的孔隙水压力和体积含水量的变化响应时间及幅度都早于且强于坡体其他区域,坡体内最大剪应变的区域分布与坡面基本平行,模拟结果与原型滑坡一致; ⑤基于黄土独特的水敏性、地质构造和人类工程活动等诱因的影响,加上节理裂隙为水的入渗和运移提供了优势通道,降雨加速了黄土潜蚀和坡体结构破坏过程,改变了边坡内部应力场、位移场和水文地质条件,进而促发了滑坡。     

考虑非饱和黄土基质吸力影响的隧道病害分析

为深入分析非饱和黄土基质吸力变化与隧道病害之间的内在联系,结合大有山隧道的工程实例,利用非饱和黄土数学模型分析、等围压变吸力剪切试验、现场监测等手段对非饱和黄土基质吸力的变化规律及其对隧道支护力、塑性区的影响进行研究.结果表明:非饱和黄土基质吸力随着含水量的增加而减小时,隧道内部所需支护力则随之增大,塑性区半径也随之增大;由于受地表水下渗影响,大有山隧道周围土体基质吸力减小,导致其发生拱顶下沉、塌方及衬砌开裂等病害;大有山隧道病害治理的首要任务在于保持隧道排水系统的顺畅,并做好地表水的堵、截及隧道洞身的防水.     

降雨过程中滑体非饱和带的滞水量计算分析

为研究滑体中的非饱和带滞水在降雨补给潜水过程中的作用,提出降雨过程中非饱和带滞水的计算方法以及以非饱和带滞水为指标的降雨阈值评价方法.通过监测降雨量、坡体潜水位及排水结构的排水流量,建立统计模型来评估降雨产生的非饱和带滞水量.利用排水隧洞影响范围内的坡体模型和均匀渗流理论正坡浸润线分析了潜水位变化所对应的土体中潜水释水量,使潜水位通过量纲变换后与降雨量和排水流量量纲一致,从而进行三者的统计模型分析.利用坡体高度饱和条件下降雨过程的监测数据建立向量自回归模型,用于计算理论降雨量,得到低水位条件下降雨过程中产生的非饱和带滞水量.根据浙江省杭金衢高速公路K103滑坡的案例,采用三次暴雨过程中的降雨、排水隧洞排水流量与潜水位监测值对降雨过程中产生的非饱和带滞水量进行了计算,分析了非饱和带滞水量对降雨补给潜水过程所起的作用,结果表明：可以将当滞水量重量达到60 kN且地下水位达到0.6 m时作为指标来确定降雨阈值.     

Numerical analysis of rainfall infiltration in the slope with a fracture

1 Introduction It has been widely accepted that the rainfall infiltration through fractures is one of the most probable factors for slope failure. Recent studies have focused on the relationships between rainfall and slope failure, but the mechanisms of rainfall-induced slope failures have not been fully understood. As a result, many experiments and theoretical studies have been carried out to simulate the infiltration in the fractured soil[1—3]. Aimed at the infiltration in unsaturated rock …