基于三轴试验的湿陷性黄土增湿力学特性研究

为研究湿陷性黄土的增湿力学特性以减少或避免黄土地区的工程灾害和事故,在不同围压下对不同含水率土样进行了固结不排水剪切试验,对湿陷性黄土在增湿条件下的偏应力-应变特性、抗剪强度特性进行了探究,发现含水率和围压对土的力学特性影响较大,且黏聚力与含水率的相关性远高于内摩擦角与含水率的相关性。采用邓肯提出的双曲线模型和刘祖典提出的幂函数模型分别模拟试样的软化和硬化特性,对比可知建立的模型在某种程度上能够反映湿陷性黄土的增湿力学特性。     

初始含水率对风化砂改良膨胀土膨胀力影响

膨胀力是反应膨胀潜势的重要指标之一,选取湖北宜昌小溪塔至鸦鹊岭一级公路改建工程K25+000段膨胀土,对其进行掺风化砂改良处理,在对不同风化砂掺量下的膨胀土进行基本胀缩试验的同时,深入探究了初始含水率对风化砂改良膨胀土膨胀力的大小以及增长速度的影响.试验研究结果表明,掺入风化砂后,膨胀土的各项胀缩指标均有明显改善,且均能达到路基填料的标准;在同一风化砂掺量下,随着初始含水率的增加膨胀力逐渐降低,且膨胀力可以用初始含水率的幂函数很好地描述,两者相关性较好;初始含水率越低土样所具有的的膨胀潜势及膨胀力越大,膨胀力随时间的变化曲线越陡,浸水后改良膨胀土的膨胀力的增长主要集中在1h以内,稳定速度较快;综合考虑经济性以及初始含水率和风化砂掺量对膨胀力大小的影响,建议将风化砂掺量控制在30%~40%,初始含水率控制在略大于最佳含水率1%~2%内,此时对膨胀力的抑制效果较好.     

等幅干湿循环条件下膨胀土的低应力抗剪强度特征

为研究膨胀土的真实强度特征,采用室内常规直剪试验,对等幅度干湿循环条件下的重塑膨胀土进行低应力抗剪强度测试。研究了重塑膨胀土低应力抗剪强度参数随循环次数、循环幅度的变化关系,并建立了包含初始含水率、循环幅度、干湿循环次数为变量的粘聚力的非线性特征函数。试验结果表明：在相同循环幅度和初始控制含水率下,膨胀土的粘聚力随循环次数的增加而衰减;在相同循环次数和初始控制含水率下,膨胀土的粘聚力随循环幅度的增加而衰减;内摩擦角与循环幅度和循环次数之间的关系无法用函数来表达;本文建立的非线性粘聚力衰减函数是利用室内简单试验得到的,可用来计算等幅度干湿循环条件下膨胀土的粘聚力。     

有机硅材料改良膨胀土的工程特性试验研究

通过对不同掺量的有机硅材料改良膨胀土进行膨胀特性和强度特性试验,探讨有机硅材料对膨胀土工程特性的改良效果以及作用机理,并与传统石灰改良膨胀土的改良效果进行对比分析。研究结果表明：随着有机硅材料掺量的增加,改良膨胀土的膨胀量指标均呈现逐步降低的趋势;有机硅材料能够提高膨胀土浸水前后无侧限抗压强度、软化系数和粘聚力,提高膨胀土的水稳定性;有机硅材料改良膨胀土与素膨胀土浸水饱和条件下应力应变关系主要表现为应变硬化型;有机硅材料的合理掺比为1.5%,此时,有机硅材料限制膨胀土膨胀变形的能力与4%掺量的石灰相当,其强度及水稳定性均优于4%掺量的石灰。     

局部膨胀土作用下隧道稳定性试验研究

膨胀土在中国分布极为广泛,目前相应的研究主要集中于工程监测以及数值模拟,容易出现代表性数据缺乏,结果与实际差别较大等不足。本文通过自主研发的膨胀土隧道设备进行模型试验,对底部膨胀土和左侧膨胀土对隧道稳定性的影响进行研究,探究膨胀作用下隧道的力学响应特征以及围岩变形分布规律,得出如下结论:底部和一侧膨胀作用结束后隧道的环向压力分别达到97.23和37.75 kPa,位于膨胀土对侧位置处的压力几乎为0 kPa,呈现时间正相关和距离负相关现象,底部分布膨胀土情况下扰动范围较大,而一侧分布破坏较为集中;膨胀作用对于隧道的影响是荷载和应变缓冲的共同作用下的非线性相关变化,在膨胀时间为1/5时将出现首次应变缓冲,环向压力增幅迅速减小;当隧道底部分布均匀膨胀土层时可以将膨胀土层看作受弯结构研究隧道的力学特征;不同部位膨胀土作用下的围岩变形将产生剧烈剪切破坏带,根据膨胀土分布位置分别出现单边剪切和双边剪切。     

基于ABAQUS和正交试验的隧道围岩稳定性分析

在城市地铁施工过程中,为了保证围岩的稳定性,以某市地铁10号线某车站区间作为研究对象,采用CRD法进行施工,利用有限元软件ABAQUS建立隧道三维模型,经过数值模拟计算得到在不同施工时步下围岩应力场、位移场和衬砌的受力情况.在数值模拟的基础上运用正交设计法分析影响围岩稳定性的因素.结果表明,随着隧道在不同施工时步下进行开挖,围岩的应力呈现逐渐降低的趋势,围岩的位移呈现逐渐增大的趋势.通过极差和方差分析,得到影响围岩稳定性因素的重要性排序依次为弹性模量、粘聚力、泊松比、内摩擦角和膨胀角.     

黄土增湿特性的结构性定量化参数

依据土的结构性观点,提出了一个能够反映黄土增湿特性的结构性定量化参数—结构性增湿系数。并利用侧限压缩试验对甘肃省兰州市、陕西省杨凌区2个采样地黄土进行不同含水率和不同压力条件下黄土增湿特性的研究。结果表明:压力和含水率对黄土的结构性参数具有显著影响;相同压力条件下,含水率越大,结构性增湿系数越大,且二者之间呈现非线性的关系;相同含水率条件下,黄土的结构性增湿系数总趋势上随压力的增大而增大;结构性增湿系数在受水和荷载作用下变化规律明显,能够较好地反映黄土的结构特性与增湿变形特性。     

重塑膨胀土膨胀力室内试验研究

为了进一步研究膨胀土膨胀力的发展规律,采用平衡加荷法研究南京膨胀土竖向膨胀力随时间、初始含水率、干密度的变化规律。试验结果表明:膨胀土试样初始含水率越小、干密度越大,膨胀速率越快;同一干密度的膨胀土试样随着含水率的增加,膨胀力不断下降,膨胀土试样的膨胀力与含水率基本呈线性关系;同一含水率的膨胀土试样的膨胀力随干密度的增大而增大,膨胀土试样的膨胀力与干密度基本呈幂指函数关系。     

干湿循环条件下陕南膨胀土力学特性研究

为保证陕南膨胀土地区工程施工安全,以陕南膨胀土为研究对象,通过常规三轴试验,分析初始含水率和干湿循环次数两个因素对陕南膨胀土应力-应变关系和抗剪强度特性的影响.结果表明:初始含水率和干湿循环次数均与膨胀土峰值强度呈负相关;第一次干湿循环对膨胀土峰值强度和抗剪强度的降低幅度远大于后续干湿循环;膨胀土在多次干湿循环作用下,...     

初始含水率与膨胀土力学特性关系的分析研究

通过室内试验模拟现场施工条件,采用干法重型击实试验,制备7组不同初始含水率的土样,分析膨胀力、膨胀率、终止吸水率随着初始含水率的不同而呈现的变化趋势;利用Origin7.5数值软件,进一步对膨胀力与初始含水率、膨胀率与初始含水率、终止吸水率与初始含水率进行线性拟合和S曲线拟合。数据结果证明:随着初始含水率的增加,膨胀力、膨胀率及终止吸水率呈现降低趋势;该区域膨胀土在吸水率达到5%左右时,土体可达到胀限含水率,促使土体膨胀稳定;三者的S曲线拟合均优于线性拟合结果,在S曲线拟合中,通过对Chi^/DoF值和R2值的综合考虑,探索出三者分别与初始含水率之间的最佳拟合关系即为指数函数关系。     

岩石隧道渗流模型试验相似材料的研制及应用

为提高岩石隧道渗流场分析的合理性,通过大量以控制渗透系数为核心的配比试验,提出适用于岩石隧道渗流模型试验的围岩、注浆圈及初衬等新型相似材料及其原料配比.试验以黏土、细砂和玻璃纤维为原料配制围岩相似材料,以水泥和炭渣配制注浆圈相似材料,由多层编织土工布模拟初衬相似材料.结果表明:随细砂含量加大,围岩相似材料渗透系数呈非线性增长,稳定性逐渐降低,改变玻璃纤维的含量对其渗透系数影响不明显;注浆圈相似材料渗透系数值随炭渣含量增加近于线性增长,2.5 m水头下的试验值较1.35 m水头时更大;随着编织土工布叠加层数增加,初衬相似材料平均渗透系数呈快速减小并逐渐收敛的趋势,且单次渗透系数测试结果也趋于稳定;相同隧道排水量时,二衬外拱底处水压力远大于拱顶,逐步减小隧道排水量后,拱顶水压力值上升幅度大于拱底,调水阀接近闭合时,拱顶和拱底位置的水压力接近初始水压力.研制的相似材料工作性能稳定,并成功应用于工程渗流试验中.     

浅埋大断面隧道核心土数值模拟与分析

针对浅埋大断面隧道采用双侧壁导坑法施工时核心土的预留问题,依托重庆轨道交通六号线二期北碚站工程,对浅埋大断面隧道采用双侧壁导坑法开挖时,核心土的留设进行数值模拟,比较分析了预留核心土前后围岩的变化情况。结果表明:合理的留设核心土可有效降低地层沉降速率;改善围岩受力情况;同时表明护拱法和临时回填对治理隧道塌方效果良好,对类似塌方处置有指导意义。     

隧道围岩-喷射混凝土界面应力解析

根据喷射混凝土支护隧道围岩的界面力学特点,考虑喷层与围岩结合界面受力和变形协调关系,并结合围岩承载拱效应,建立了围岩一喷层结构的复合曲梁共同承载模型,然后通过各微单元静力平衡推导复合曲梁的径向位移的控制微分方程,得到任意分布荷载作用下喷层与围岩界面应力以及喷层与围岩各自内力的解析式,可迅速获取喷层与围岩结合界面的力学状况,进而判断围岩稳定性与预测安全性,为隧道施工决策提供技术支撑。最后经隧道台阶法开挖的算例研究表明,喷层支护通过其与围岩的结合界面上传递应力使围岩内部形成压应力带,有利于围岩的稳定。     

软岩浅埋连拱隧道施工围岩变形特征分析

为研究软弱破碎围岩浅埋连拱隧道施工过程中围岩变形特性,依托陕北某连拱隧道实际工程,通过现场布设监测仪器系统开展了拱顶沉降、围岩变形长期测试,获得了随施工过程拱顶沉降及围岩径向变形规律。结果表明：地表沉降近似于Peck沉降曲线,越靠近隧道中心地表沉降越大,最大沉降值产生于左线隧道开挖落底后,约为12.1 mm;拱顶沉降沿隧道纵向变化规律为：中导洞>正洞>左右侧导洞,中导洞表现为拱顶下沉,侧导洞则是水平收敛,上台阶施工因未临时仰拱封底而其收敛变形显著大于下台阶施工;随距隧道壁面距离增加,测点累计变形量逐渐减小,K21+970测试断面围岩松动区约2 m,因测线布置限制,K21+970测试断面松动区超过4 m。     

不同施工工法对断层隧道的力学响应分析

断层破碎带是隧道施工中常见的不良地质构造,在断层破碎带附近施工时常常会引发围岩失稳甚至塌方等问题。因此依托某高速公路隧道,利用FLAC3D建立三维分析模型,研究施工方法对隧道围岩稳定和支护结构的影响,计算结果表明：在3种施工工法下,断层破碎带位置围岩的拱顶沉降值和拱底隆起值显著大于围岩正常段的,同时初期支护结构在断层破碎带和围岩正常段交界处的受力最大。环形开挖预留核心土工法施工引起的拱顶沉降最大值为51.45 mm,拱底隆起最大值为121.25 mm,初期支护结构的主应力最大值为15.27 MPa,各项数据均优于其余两种工法的对应值,表明该工法对保持围岩稳定效果最佳。现场监测结果也表明断层破碎带附近的拱顶沉降值要大于围岩正常段的拱顶沉降值,在现场施工中要加强断层破碎带位置处的监测并做好安全措施。     

黄土连拱隧道开挖的模型试验与压力拱分析

针对黄土连拱隧道复杂的施工力学特性,研究黄土连拱隧道动态开挖全过程中隧道轮廓位移、围岩的应力及压力拱分布规律.通过大型室内模型试验模拟黄土连拱隧道中的导洞开挖,利用相关监测元件对隧道轮廓位移、围岩的径向及环向应力进行采集和分析;采用有限差分软件对开挖过程的位移及压力拱进一步分析.研究表明：随着黄土连拱隧道不同导洞的开挖,各监测点位移时程曲线总体形状呈台阶形增长,且各台阶的增长对应各导洞初期开挖的位移突变;黄土连拱隧道的压力拱范围比同等级围岩的连拱隧道更大,先行导洞开挖完时,其拱顶压力拱大约为1D（D为隧道洞高）,单洞开挖完时,其拱顶压力拱范围大约1.5D;从第一先行导洞开挖到双洞完成,中隔墙上部围岩压力拱范围经历了0.5D→1D→0.5D→1D的变化,形成了多次应力重分布,对此范围的围岩应及时注浆或打入锚杆,加强支护.     

隐伏溶洞对隧道围岩稳定性影响规律及处治技术

以鄂西山区隧道工程实例为依托,在溶洞调查与统计分析的基础上,从岩溶的溶洞体积、形态特征、溶腔充填物特征以及涌水通道类型等方面,对鄂西山区岩溶进行分类,得到鄂西山区岩溶发育特征,即溶腔体积不等、形态多样、溶腔充填物种类多、涌水通道复杂。采用数值模拟方法,分析不同位置的隐伏溶洞对隧道围岩的应力场、位移场影响情况,得出随隐伏岩溶位置变化,围岩应力分布有所不同;溶洞位置由隧道顶部向隧道底部变化过程中,隧道顶部围岩最大沉降由大到小依次为拱肩延长线、边墙一侧、拱脚延长线、拱顶上方、底板下方;随着溶洞位置的降低,隧道拱顶围岩水平最大收敛值由大到小依次为拱肩延长线、拱顶上方、边墙一侧、底板下方、拱脚延长线;随着溶洞位置的降低,隧道周边围岩沉降量由大到小均为拱顶、拱腰、拱脚、底板。基于岩溶类型特征、数值模拟围岩应力场、位移变化情况结果,提出岩溶区隧道揭露溶洞处治原则。以花果山隧道为例,开展溶洞处治原则与方法应用,提出针对性的处治方案。     

隐伏溶洞对隧道围岩稳定性影响规律及处治技术

以鄂西山区隧道工程实例为依托,在溶洞调查与统计分析的基础上,从岩溶的溶洞体积、形态特征、溶腔充填物特征以及涌水通道类型等方面,对鄂西山区岩溶进行分类,得到鄂西山区岩溶发育特征,即溶腔体积不等、形态多样、溶腔充填物种类多、涌水通道复杂。采用数值模拟方法,分析不同位置的隐伏溶洞对隧道围岩的应力场、位移场影响情况,得出随隐伏岩溶位置变化,围岩应力分布有所不同;溶洞位置由隧道顶部向隧道底部变化过程中,隧道顶部围岩最大沉降由大到小依次为拱肩延长线、边墙一侧、拱脚延长线、拱顶上方、底板下方;随着溶洞位置的降低,隧道拱顶围岩水平最大收敛值由大到小依次为拱肩延长线、拱顶上方、边墙一侧、底板下方、拱脚延长线;随着溶洞位置的降低,隧道周边围岩沉降量由大到小均为拱顶、拱腰、拱脚、底板。基于岩溶类型特征、数值模拟围岩应力场、位移变化情况结果,提出岩溶区隧道揭露溶洞处治原则。以花果山隧道为例,开展溶洞处治原则与方法应用,提出针对性的处治方案。