含石膏泥灰岩地质特点及隧道工程影响分析

为揭示含石膏泥灰岩地层对杜公岭隧道衬砌结构病害影响,通过工程调研、岩芯矿物成分测试、施工观测、室内试验及结构病害分析等手段对隧址区地层特征、含石膏岩泥灰岩工程危害性进行了探讨。研究结果表明:杜公岭隧道穿越奥陶系中统上马家沟组一段泥灰岩地层,该地层中含有发育不规律的石膏岩,使其岩体中硫酸盐与碳酸盐共同溶蚀现象显著、岩溶发育强烈(溶洞最小间距不足20 m);硬石膏岩侧限膨胀力试验测试值是泥灰岩的90倍以上、软化系数是泥灰岩的0.8倍,因此,泥灰岩中的赋存的石膏岩促使泥灰岩地层软化与膨胀特性加剧,增加了隧道衬砌结构的负荷;同时,石膏质岩的存在还引发地下水对隧道混凝土衬砌结构的硫酸盐侵蚀,使杜公岭隧道混凝土结构出现了一种隧道工程中极为罕见的碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀,造成混凝土凝胶材料失效而呈现为泥沙状,从而导致隧道衬砌支护结构丧失承载能力。因此,含石膏泥灰岩地层对隧道工程的影响,不仅是加剧了修建场所的复杂性,而且恶化工程结构的受力环境,并在一定条件下造成混凝土结构遭受较为严重的硫酸盐侵蚀。     

膨胀岩土地层环状膨胀对盾构隧道衬砌荷载的影响

为了获得膨胀岩土地层环状膨胀产生的膨胀荷载对于盾构隧道衬砌结构内力的影响规律,从理论上推导了岩土环状膨胀引起的附加荷载计算公式, 并利用有限元分析软件ANSYS,建立了膨胀地层隧道模型并进行数值模拟。结合数值分析方法,研究了不同膨胀圈厚度情况下,地层环状膨胀对衬砌结构接触压力增量的影响。研究结果表明,膨胀荷载与岩土膨胀力大小、应力水平、地层抗力、膨胀后岩土的物性参数等因素有关,因环状岩土膨胀引起的衬砌压力增加值小于室内测得的岩土膨胀力;衬砌径向压力增加值与衬砌和深部围岩刚度、膨胀圈厚度成正相关关系;衬砌压力的增加值主要体现在结构轴力上,这对结构受力是有利的,从而轴力成了该结构设计的控制因素。研究成果为盾构隧道结构设计膨胀荷载的取值提供了依据。     

膨胀岩三轴膨胀试验的研究

本文介绍了作者所开展的膨胀岩三轴膨胀试验的设计和试验方法,并通过试验证实了膨胀应变是由于应力第一不变量的改变所引起的结论,得出了膨胀岩吸水饱和值是体积应力函数的结论。     

模拟隧道水压对石膏围岩强度特性的影响

山区隧道建设工程中经常会穿越膨胀性岩层,当隧道上方出现溶洞水,水压会对开挖扰动区膨胀性围岩产生影响。为了研究上方溶洞渗透水压作用对岩体吸水膨胀及强度弱化效应的影响,开展了不同水压条件下对硬石膏岩的侧向膨胀应力及压力水作用后强度测试。结果表明:水压越大,硬石膏岩的最大侧向膨胀应力越大,膨胀起始时间越短;随水压的增大,硬石膏岩的吸水率增大;硬石膏岩的弹性模量和峰值强度随水压的增大而增大。综上所述,水压能增强硬石膏岩的膨胀性,促进其膨胀性的激活,影响其含水状态,提高其力学性能。但另一方面,当硬石膏转化为石膏后,石膏岩石试件在开放的水体中浸泡其单轴抗压强度会逐渐减弱,这说明在硬石膏这类膨胀岩体中开挖隧道,上覆岩体水系渗透压力越大将加快围岩的膨胀,同时膨胀完成后的石膏岩体在长期的水作用过程中其强度明显降低,不利于长期稳定。     

红山窑膨胀岩的膨胀和软化特性及模型研究

以南京红山窑水利枢纽工程所提供的岩基红砂岩岩芯为例，采用MTS815．02型岩石刚性伺服试验系统和岩石膨胀测量仪，对风化红砂岩进行膨胀变形及力学特性试验研究。试验结果表明，红砂岩膨胀应变随吸水率增加而呈对数形增长。由于吸水率的变化，膨胀岩的弹性模量、泊松比和屈服极限等力学性能都将发生变化，即所谓软化现象，从而膨胀应力、塑性流动以及随湿度场而变化的屈服准则等都是相互耦合的。基于试验结果，提出考虑膨胀岩膨胀及软化特性的弹塑性本构模型。     

锚具槽回填混凝土膨胀应力试验研究

采用模拟试验研究的方法,探讨了环锚预应力混凝土衬砌结构锚具槽回填混凝土自由膨胀变形与膨胀应力的关系。选择膨胀剂掺量分别为1%、2%、3%、4%、5%和6%成型混凝土试件,测定从混凝土浇筑后开始直至变形稳定后的自由膨胀变形和膨胀应力。结果表明,自由膨胀量和膨胀应力与膨胀剂用量密切相关,膨胀剂用量越大,自由膨胀量越大,所产生的膨胀应力也越大。产生膨胀变形时混凝土的变形模量是决定膨胀应力大小的关键因素,混凝土处于塑性阶段的膨胀变形不产生膨胀应力。当膨胀剂用量为6%时,实测混凝土中的膨胀压力为1.16 MPa。     

对钢管材料在液压膨胀试验中的应力-应变关系的测定

基于塑性膜理论和力平衡方程等,对试验数据进行曲线拟合,来确定在液压成形过程(THF)中薄壁管的应力-应变关系。由此提出一种简单实用的液压膨胀试验方法,并对不锈钢和低碳钢管进行自由膨胀试验,以得到所需的试验变形数据。而自由膨胀的有限元模拟同时也验证了该方法的有效性。结果表明:目前的做法是正确的,可用于对钢管材料的应力-应变性能进行界定,此外,由此法也可得到扩展的大应变流动应力曲线。     

硬石膏岩长期膨胀性试验研究

探究硬石膏原岩样遇水后的持续膨胀行为和含水状态随时间变化规律,对预测和控制硬石膏岩工程的膨胀灾害具有重要的理论和工程意义。本文针对硬石膏原岩样的长期膨胀性能开展试验。试验结果表明:(1)持续供水条件下,硬石膏岩可长时间持续膨胀,轴向膨胀应变及侧向膨胀应力,先快速增加,再缓慢增加,最后保持稳定速率持续增加。试验进行到第119天时,轴向膨胀应变和侧向膨胀应力分别高达2.26%和1679.95kPa。(2)随浸水时间增加,硬石膏岩的吸水率、结晶水率以及水化率逐渐增加,结晶水率趋向吸水率,而自由水率逐渐下降至零。基于微观膨胀机理和试验结果,建立了体积膨胀应变的时变模型,能够反映自由水和结晶水分别对体积膨胀应变影响大小。     

膨胀岩土侧限膨胀试验新方法与膨胀本构关系

基于膨胀变形与膨胀压力的发展对吸水量有明显依赖性的事实 ,提出了一种测试侧限膨胀特性的试验方法并研制了相应的仪器 ,利用该仪器可量测重塑膨胀岩土试样侧向膨胀压力的发展进程及试样的吸水全过程。测试结果初步验证了该方法和仪器的可靠性 ,并根据试验结果分析了重塑膨胀岩土试样膨胀应力、应变和吸水量等因素间的相互关系 ,对膨胀本构关系进行了讨论。     

红山窑膨胀红砂岩地基处理方案研究

经野外地质勘探,红山窑风化红砂岩初判为膨胀岩,为寻求技术上安全可靠而又经济合理的设计施工方案,对该膨胀岩进行了膨胀变形特性和力学性质试验,研究其随含水量变化时的膨胀变形特性和力学性质指标。试验结果表明：膨胀应变在较短时间内完成总膨胀量的90%左右,随着时间的增长,最终趋于稳定;在不同初始含水率至吸水饱和时,初始含水率越低,吸水达到饱和时产生的膨胀力越大,初始含水率越高,吸水达到饱和时产生的膨胀力越小。且含水率ω∈[0%,6%]至饱和是该膨胀岩膨胀力的显著增长点。根据试验结果提出如下地基处理方案：对位于中风化层的红砂岩地基,只采用控制含水率（不低于6%）,限制膨胀力（小于40kPa）的方法;对部分位于全风化岩层上的地基可采取换填土处理。     

隧道原位单侧扩挖围岩力学特性解析分析

为通过解析计算分析隧道单侧扩挖围岩力学特性的特点,考虑到围岩支护对隧道围岩的稳定起到重要作用,针对已有的隧道围岩力学解析解,在考虑支护反力作用的情况下,结合Schwarz交替法进行求解,提出了隧道原位扩挖围岩力学特性计算的解析算法。经大帽山隧道原位扩挖工程的围岩变形监测数据与abaqus数值模拟验证,结果表明:在考虑支护情况下隧道原位扩挖Schwarz交替法能得到较精确的围岩力学性质,该方法有较好的适用性。随着扩挖宽的的增加其围岩特性如下:(1)在相切处即原隧道在开挖施工部分应力值变化较大,扩挖部分的环向应力在拱顶处有拉应力产生。(2)原隧道竖向,水平位移值变化较小,较稳定。扩挖部分的竖向位移有增大趋势,水平位移有收敛趋势。(3)相较于无支护的情况,有支护力作用下,隧道扩挖水平位移变形趋向于稳定,竖向位移变化较小。     

隧道衬砌模板支撑结构受力分析

假定隧道二次衬砌处于稳定围岩压力作用下,采用"田"字形支撑结构,利用结构力学刚性连接形式,推导出了结构内力与变形计算公式,并且通过实际工程案例作了计算分析,指出利用结构力学方法推导的计算公式为隧道衬砌支撑结构计算提供了新途径。     

公路隧道衬砌中超声回弹测强公式的修正

对超声回弹综合法的应用条件与隧道衬砌在应力分布、养护环境和长龄期等方面的差异性进行了分析,然后基于隧道衬砌的类别划分,对超声回弹综合法的统一测强公式进行了多种形式的修正研究,优选出了能进行应力、养护环境和长龄期修正的参数公式.该公式拟合精度高,能较准确地推定公路隧道混凝土衬砌的强度.     

基于超声回弹综合法的公路隧道混凝土衬砌的强度检测

通过分析现有规程《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》（CECS02：88）对受测混凝土的要求与公路隧道混凝土衬砌在养护环境、应力分布和长龄期等方面的差异,提出应按围岩等级划分隧道衬砌类别,对不同类别的衬砌分别进行强度推定的原则,并在统一测强公式的基础上进行了多种型式的公式比较。优选出了能进行应力、养护环境和长龄期修正的三参数公式,该式精度高,能较准确地推定衬砌混凝土的强度。     

超声回弹综合法在隧道衬砌强度检测中的应用

在分析了超声回弹综合法测试公路隧道衬砌强度的局限性后,文章提出了应按围岩等级划分隧道衬砌类别,对不同类别的衬砌分别进行强度推定的原则.并提出了应对衬砌声速进行应力修正、考虑龄期和养护环境等因素的新的超声回弹综合测强公式,按该公式推定的抗压强度与芯样试验结果吻合较好.     

基于安全系数的地铁车站衬砌优化设计探讨

实际工程中初衬受力与变形很大因而初衬会进入塑性,应将初衬视作弹塑性加固材料进行设计计算。结合一个青岛地铁车站衬砌的设计计算,将强度折减法应用于隧道稳定性分析。考虑衬砌施作时的围岩应力释放率影响,利用强度折减法计算隧洞围岩及衬砌的安全系数。初衬后围岩安全系数不应小于1.15~1.20,如果围岩安全系数小于1.30,此时二衬将承受一定荷载。二衬安全系数与初衬后围岩安全系数的乘积应大于2,以确保二衬安全。通过计算可以定量的确定初衬和二衬的结构尺寸,确保隧洞安全并合理降低成本。     

陡倾岩层隧道开挖力学特性研究

陡倾岩层隧道由于层状结构的存在,在开挖过程中,围岩的破坏机理与方式、围岩与结构的变形、受力等特征明显不同于其它岩体隧道。本文在陡倾岩层隧道开挖破坏机理探讨的基础上,通过三维数值模拟,对不同陡倾角条件下围岩与结构的变形、受力特征进行了计算,分析了隧道开挖力学特性与倾角的关系,提出了陡倾岩层隧道设计施工建议。计算结果表明:倾角越大,隧道发生顺层滑移破坏的概率越大,地表沉降、拱顶位移、围岩主应力随倾角的增大而增大,但拱脚位移、围岩剪应力、喷射混凝土内力与倾角并非一致性关系。     

不同围岩情况下特大断面公路隧道施工变形监测与控制

 以目前国内规模最大的广州龙头山隧道为背景,详细介绍特大断面公路隧道施工过程中变形现场监测的项目、方法及手段,对洞口边坡及不同围岩情况下的隧道变形规律进行分析,并提出控制大变形的工程措施。研究结果表明：(1) 右导洞上台阶、左导洞下台阶和核心土上台阶开挖引起围岩较大变形,是隧道施工主要控制点;(2) 特大断面隧道围岩变形与洞周半径近似成指数函数关系;(3) 封闭支护结构及对拉锚杆的使用是改善结构受力和抑制隧道变形的有效途径,应尽早施作仰拱以形成封闭环。研究成果可为日后类似工程的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。