清水隧道围岩软土振动液化研究

铁路隧道建成后,运营期在高速列车循环振动荷载作用下,软土围岩有可能出现液化而导致隧道变形破坏．首先进行了列车振动荷载的模拟,确定出列车振动荷载的时程曲线,然后采用了适合岩土工程分析的大型有限差分法软件FLAC3D进行清水隧道出口段在列车振动荷载作用下围岩液化的可能性研究,得出了一些结论,为隧道施工及运营期的维护提供了有益的参考依据．     

清水隧道围岩检测研究

目前铁路运营隧道不良状况严重,因此有必要采取可靠的检测方法来检测和评估隧道的实际状况,同时检测的数据也为隧道日常的维修保养及必要的整治工程提供了系统完整的依据.本文以清水隧道现场检测作为实例,通过对土压力、孔隙水压力、衬砌应变及围岩深部位移的检测分析了清水隧道存在的问题,并在出了若干工程建议.     

对隧道反射地震学的再认识

隧道反射地震法是利用放置在隧道边墙或者掌子面内的震源和接收器,来预测隧道前方的岩石特性。勘测人员应小心谨慎确保多分量的接收器与岩石牢固耦合,尽可能地避免记录到不需要的隧道波或空气波,同时,每一个震源点应尽可能产生几千赫兹的宽頻信号。这种方法有它的主要的约束条件。沿隧道轴线的空间分辨率受到信号频率和衰减影响的限制,而横向分辨率则主要受到小角度反射覆盖范围的制约。通过采用有限差分方法模拟弹性波的传播,计算人工合成的隧道地震反射记录。通过研究这些数据,得出如下一些处理隧道反射地震数据的规则:根据不同的质点运动轨迹和传播速度把压缩波和剪切波与隧道波、空气波和背景噪音分离开来。估计衰减模型、补偿振幅损失和反Q滤波都是必要的。通过振幅和保留相位的倾角滤波可以将反射的纵波和横波提取出来。空间可变的速度模型来源于对P、S波预先成像。建议用一个相容原理来导出速度模型,这就要求寻找一个合适的成像速度场,该速度场不受震源和接收器位置的约束而有相同的成像位置。空间叠前偏移是基于精确的通过不均匀速度模型的等时线和波的入射角。     

砂土液化判别的液化系数法

在标准贯入试验法判别砂土液化的基础上,提出了砂土液化判别的液化系数法,即应用各贯入试验点标准贯入锤击数的临界值与实测值之比,并结合液化系数曲线,对砂土液化程度进行判别.以南水北调中线工程滹沱河段引水干渠地基砂土液化的评价为例,应用液化系数法对地基各土层的液化系数进行对比分析,探明液化程度较严重土层的存在位置,从而为地基处理的设计和施工提供更明确的依据.实际应用表明,该方法简便明了,具有较高的实用性.     

局部液化地层范围及埋深对隧道地震上浮的影响研究

杭州地铁4号线甬江路站-锦江站区间施工时需穿越大范围的可液化地层,为降低隧道在地震作用下上浮破坏的潜在风险,该区间选线时将隧道埋深进行了增大,从而使隧道部分处于非液化土层。为了研究在地震作用下盾构隧道局部液化地层范围以及隧道埋深对隧道上浮的影响,并对隧道调整后的抗震效果做出评价,采用有限差分软件FLAC^3D数值模拟与振动台试验相结合的方法,对处于不同液化土层分布范围、不同埋深的隧道地震上浮情况进行了数值分析及模型试验,研究结果表明：隧道液化地层范围越小,隧道上浮位移越小;当隧道埋深达14 m、隧道液化地层范围小于隧道范围一半时,隧道只发生轻微上浮;隧道设计时应尽量避免使隧道完全处于可液化地层中,可采取液化与非液化地层组合或增大埋深的方式,提高隧道结构的抗震安全性。     

隧道地震成像理论与应用案例

在隧道施工中采用地震方法对隧道地质情况进行探测,应该以最大的空间分辨率成像为目标.然而,由于信号频率对空间分辨率以及小角度照明度覆盖范围造成衰减的影响,地震方法在隧道中的应用仍然存在一些重要的局限性.首先采用了有限差分方法模拟弹性波的传播来合成隧道地震反射数据,合成数据采用最优化最实用的隧道数据处理流程对P、S波进行处理,特别是采用了衰减模型补偿振幅的衰减以及扩散,通过反Q滤波和使用空间变速模型能够获得反射地质单元在空间中的正确成像位置.最后结合奥地利Koralm隧道工程采用隧道地震预报方法的案例分析,充分说明该预报方法在隧道中应用的可行性.     

高速铁路隧道通风竖井对气动效应的影响研究

采用三维可压缩非定常流动模型,通过有限体积法对三维Navier-stokes方程进行离散,对隧道壁面采用近壁面函数来处理,时间采用预处理二阶精度步后差分格式进行离散,对高速列车经过带有通风竖井的单线隧道所引起的压力变化进行数值模拟.并将不同竖井参数对隧道内压力变化的影响进行比较分析,初步得出最佳的竖井参数,为今后进一步研究更好的缓解出口微压波的措施奠定了基础.     

基于围岩动态分级的隧道底部支护优化与稳定性研究

在对以往隧道工程进行调研的基础上,确定合适的围岩动态分级方法后,采用围岩分级后的岩石力学参数在承赤高速进行现场试验与监测得出平底隧道支护符合稳定要求.并根据霍克布朗准则,通过FLAC3D有限差分软件对比不同隧道底部模型的拱顶沉降、拱底隆起和二衬应力得出:Ⅳ1级围岩下隧道两个模型的竖向位移变形值相差不超1 mm,平底隧道...     

高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法

针对高铁运行引起的地基振动和塑性变形问题,提出高铁荷载作用下弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法。将高铁运行诱发的地基变形视为材料非线性问题,采用改进的摩尔-库伦模型模拟地基土,基于弹性地基2.5维有限元法,将通过弹性理论计算得到的位移作为试探位移,经摩尔-库伦屈服准则判定屈服后,引入切线刚度迭代法、后向欧拉积分算法和一致切线模量算法实现刚度矩阵的更新迭代,从而求解出高铁运行引起的塑性变形。在此基础上,将轨道视为Eular梁,采用修正的多频列车荷载模拟高铁列车运行,并使用黏弹性人工边界处理截断边界,建立高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元验证模型。通过与移动点荷载弹性半空间解析解和地面振动实测结果进行对比,验证本文弹塑性地基2.5维有限元法理论的正确性及模型应用的可靠性,表明该方法可用于高效求解高铁运行引起的地面振动及累积变形问题。     

水工隧洞检修期衬砌与围岩联合承载作用机理

衬砌与围岩是水工隧洞的主要组成部分,外水压力是其承担的主要荷载之一.结合某水电站工程实例,建立其发电引水隧洞的有限元数值分析模型,针对衬砌与围岩有条件联合承载作用特征,对衬砌外围岩变形模量进行折减以反映围岩的作用,并引入具有一定抗拉强度的薄层单元量化反映衬砌与围岩有条件联合承载能力.结果表明:与衬砌完全单独承载外水压力计算结果相比,围岩在承担外水压力中的作用不容忽视,且随着外围岩体变形模量的增加,其所分担的外水压力越大;采用薄层单元量化后,衬砌与围岩的联合承载机理更为明确,薄层单元开裂前,围岩承担外水压力较多,薄层单元开裂后,衬砌承担外水压力较多,因而要确保回填灌浆和固结灌浆质量,以提高衬砌与围岩联合承载能力.     

隧底富水围岩脱空条件下重载铁路隧道动力响应

为研究隧底围岩脱空对水-力耦合作用下重载铁路隧道动力响应特性的影响,采用现场试验与数值模拟相结合的方法,分别以竖向位移、孔隙水压力和竖向动应力作为评价指标,分析了不同脱空形状(椭圆、余弦和矩形)下富水隧底结构的动力响应规律,提出了一种符合实际的脱空形状,确定了富水隧底围岩的脱空阙值。研究结果表明：随着脱空宽度的增加,隧道底部结构动力响应不断增大,且脱空宽度超过一定值后动力响应变化加剧,这种现象在脱空区域尤为明显;3种脱空形状下,以矩形脱空动力响应最大,椭圆形脱空次之,余弦形脱空最小;其中,椭圆形脱空最符合实际,该脱空下基底动力响应是无脱空情况下的4.2倍,隧道底部围岩脱空阙值为0.6 m。研究结果可为富水重载铁路隧道行车安全及脱空病害整治提供依据。     

临界移动速度荷载作用下地基的振动特性

边学成通过建立2.5维有限单元结合薄层单元方法，研究了接近或超过临界速度的移动荷载作用下地基三维振动问题.通过沿荷载移动方向的波数变换将三维问题降维成每个节点有3个自由度的平面应变问题，极大地提高了计算效率.采用有限单元模拟荷载作用范围所在的地基近场区域，用动力薄层单元构建透射边界来模拟波从近场向无穷远处的传播.通过数值计算给出了地基表面振动的动力时程和三维波动场的分布，发现当移动荷载的马赫数接近或大于1.0时地基中产生明显的波动传播现象.     

爆破震动场动力有限元模拟中爆破荷载的等效施加方法

比较了应用LS-DYNA软件进行爆破震动场数值模拟时的几种不同计算方法的优缺点.结合各方法的特点及爆破震动场模拟的要求,提出了爆破荷载的等效施加方法,即将作用在炮孔壁上的爆破荷载依据圣维南原理等效后,施加在同排炮孔联心线或者面上,以模拟爆炸作用.数值模拟结果表明,不同的爆破荷载施加方法对应的数值模拟结果在近区存在一定差异,但在中远区吻合得较好.因此,使用施加等效爆破荷载的方法对中远区的爆破震动场进行数值模拟是可行的,且该法极大地降低了计算耗费.     

爆破震动场动力有限元模拟中爆破荷载的等效施加方法

比较了,应用LS—DYNA软件进行爆破震动场数值模拟时的几种不同计算方法的优缺点．结合各方法的特点及爆破震动场模拟的要求,提出了爆破荷载的等效施加方法,即将作用在炮孔壁上的爆破荷载依据圣维南原理等效后,施加在同排炮孔联心线或者面上,以模拟爆炸作用．数值模拟结果表明,不同的爆破荷载施加方法对应的数值模拟结果在近区存在一定差异,但在中远区吻合得较好．因此,使用施加等效爆破荷载的方法对中远区的爆破震动场进行数值模拟是可行的,且该法极大地降低了计算耗费．     

列车动荷载作用下采空区上地层响应分析

针对处于相对平衡状态的废弃采空区上覆围岩重新“活化”,使裂隙带岩体再压密、地下残留空隙再冒落,导致地表产生二次沉降的问题,通过对采空区上方铁路动荷载作用稳定性综合评价,得出采空区上方围岩、地层的二次沉降问题.通过GTS建立模型分析,得到采空区上方地表的下沉曲线,由此对铁路安全性给予评估.     

水下爆炸-移动作用下悬浮隧道管体响应

为了研究水下爆炸-移动作用下悬浮隧道管体的变形规律,基于Cole冲击波半经验公式和Vernon气泡运动方程将水下爆炸过程简化为冲击波和气泡脉动作用两个阶段,将公路I级荷载简化为移动荷载序列,通过D'Alembert原理建立了一个考虑水下爆炸荷载、移动荷载以及流体作用的悬浮隧道动力学模型,采用四阶Rungek?Kutta...     

土层非线性动力有限元分析中孔压计算及液化判别

本文基于有效应力路径和损伤指数概念，提出了一个能实时计算孔压和分析液化问题的二维有限元程序，本程序考虑了随机地震作用对土的损伤，并讨论了损伤指数与振次比的关系，在此基础之上，提出了随机地震作用下孔压计算的简化方法，本文提出的孔压增长方程形式简洁，变量物理意义明显，能够计算任一时刻土体单元的累积孔压，本法具有以下特点：（1）孔压的实时计算并能反映峰值应力对孔压的影响；（2）考虑了土体的循环软化；（3）孔压和液化判别更为清晰、简洁。     

波浪荷载下粉质土动应变和动强度的试验研究

为寻找不同振动频率的波浪荷载作用下海底粉质土的动应变和动强度发展规律,进行了一系列的模拟不同振动频率的波浪荷载的动三轴试验.试验选用杭州湾地区分布较广的粉土,研究了振动频率的变化对粉土动应变和动强度的影响.试验结果表明,粉土的动应变和动强度的发展与土样所受的固结应力、围压、循环应力比和振动频率有关;在等向固结条件下围压对土样的累积轴向应变增长的影响作用是由波浪荷载振动频率的高低决定的;波浪荷载振动频率的改变对不同围压作用下粉土的动强度影响很大,并且在该类粉土中存在临界循环应力比.