越江隧道联络通道冻结法施工力学模拟分析

为直观了解冻土帷幕的力学特性,掌握隧道联络通道开挖过程对冻土帷幕的影响,保证开挖过程的安全,采用大型有限差分软件 FLAC ^3D ,对联络通道的开挖过程进行了数值模拟。从数值分析的角度对冻土帷幕的应力与变形进行了分析和安全评价,详细研究了冻土帷幕中应力与位移的分布情况,确定了冻土帷幕厚度设计安全值为 2.5 m （可以满足施工要求）,并指出了容易产生应力集中的位置为冻土帷幕与隧道接触部位。由于该部位在冻结过程中散热快,冻结效果差,所以施工中应该值得注意,同时也为今后的联络通道数值模拟与人工冻结法施工提供了参考。     

引洮7~#隧洞含水疏松砂岩地层冻结法施工数值模拟

为探究含水疏松砂岩地层引水隧洞冻结施工中冻土帷幕的形成过程及力学特性,对引水隧洞的冻结施工及开挖过程进行三维数值模拟。研究了冻土帷幕的温度场、应力及位移的分布,计算出冻土帷幕完全形成所需的时间及其压、拉、剪应力极值并确定极值发生的位置。结合现场监测数据,分析了冻结过程中冻土的温度变化规律及冻土帷幕的形成机理,最后提出了相应的措施及建议。     

万家口子水电站拱坝坝基三维渗流场分析及渗控措施研究

运用Visual Modflow软件对万家口子水电站拱坝坝基渗流进行了模拟研究,用六面体单元精确模拟了排水孔孔径、孔深和孔距及帷幕的空间分布,同时对影响渗流场主要的渗流通道,如不整合面、断层、裂隙带等进行了精确模拟,在此基础上分析了坝基渗流场分布规律。综合评估了坝基渗流场的主要渗流特性、宏观渗流控制能力和局部渗流控制薄弱环节。研究表明,不整合面对坝基渗流特性影响很大,建议施工时应尽量开挖到不整合面以下,或将帷幕穿透不整合面以提高帷幕的防渗效果。     

沭水东调工程引水隧洞开挖过程仿真分析

通过Midas软件对沭水东调工程引水隧洞开挖过程进行数值仿真分析,在不考虑渗流场与应力场耦合的假设下,将隧洞围岩Mohr-Coulomb本构模型进行建模。分析开挖过程中引水隧洞周围岩土体应力变化情况,找出开挖过程中最大主应力和最小主应力分布规律,得出开挖过程中截面水平位移和数值位移结果,为引水隧洞开挖施工做出理论与技术指导。     

深基坑三维应力场和渗流场耦合分析与模拟

为研究深基坑开挖施工过程中渗流场和应力场耦合情况,建立基于非饱和土的渗流-应力全耦合模型,采用非饱和土渗流-应力全耦合模型进行深基坑三维应力场和渗流场的耦合分析,预测在基坑不同的施工阶段中基坑挡土结构的侧向变形和基坑周围地面的沉降的变化,并将理论分析结果与实际监测数据进行对比分析。分析成果表明在需要降水施工的基坑分析中,采用渗流-应力耦合模型来进行基坑的分析与计算更合理,更有效。     

考虑地表荷载的基坑降水开挖应力应变分析

考虑渗流-应力耦合作用下的基坑开挖是当前的研究热点。为定量研究地表荷载对基坑降水开挖过程中土体应力应变特性的影响,基于有限单元法,对某基坑的开挖过程进行模拟。结果表明:地表荷载对基坑开挖造成的位移和应力松弛影响很大,基坑底部卸荷回弹隆起明显;地表荷载对渗流路径和渗流速度没有影响,墙趾附近水流流速最大,易发生流土现象;存在地表荷载一侧的基坑边坡稳定性更低,连续墙发生更大的位移、轴力和弯矩。研究成果可为类似基坑工程降水开挖的设计和施工提供参考。     

混凝土坝全过程多场耦合仿真分析

高坝的工作性态与施工及运行过程密切相关,受到自基础开挖、大坝浇筑、蓄水运行过程中的温度场、渗流场、应力场的不断变化和耦合作用影响。本文介绍了混凝土坝三场耦合作用全过程仿真分析方法,可以模拟基础开挖、大坝浇筑、混凝土水化发热、混凝土硬化、温度控制、接缝灌浆、分期蓄水、环境温度变化等8个过程,开发了温度、渗流、应力三场耦合全过程仿真分析软件SAPTIS。针对小湾、溪洛渡、锦屏等特高坝进行的研究分析表明,采用全过程多场耦合分析方法,可以很好地吻合大坝温度变化、变形过程和应力状态,解释温度回升、横缝开合、库盘下沉等现象和大坝的变形时空特性,预测大坝倒悬超标、局部开裂等风险,为大坝的高质量建设和安全运行提供技术支持。     

风化砂岩公路隧道渗流-应力耦合数值模拟

以江西省宜春市宜遂高速公路风化砂岩高且隧道工程为例,利用有限元分析软件Midas/GTS三维模拟了高且隧道的施工和开挖过程,将所得结果与现场监测数据进行比较,研究了渗流-应力耦合对隧道稳定性的影响,比较了耦合与非耦合条件下隧道稳定性的变化。结果表明,在渗流-应力作用下,隧道稳定性受到明显影响,渗流主要发生在隧道仰拱和边墙处,各施工阶段断面孔隙水压力在拱底处最大,在拱顶处最小;对比非耦合条件,在耦合条件下隧道拱顶、拱底和水平收敛值均有所增加,孔隙水压力对不同岩性的隧道拱顶沉降有很大影响。     

准脆性介质热流固及损伤耦合效应的数值模型

运用热流固耦合理论,在岩石破裂过程分析系统（Rock Failure Process Analysis, RFPA）的基础上实现了温度－渗流－应力－损伤的多场耦合数值模型,并以此为工具进行了水工结构中温度场随渗流和应力而变化的规律研究。其结果表明,水的流动导致的热量迁移现象可以用于分析水工建筑物的水温异常,并可将其作为结构是否出现了渗漏的一种监测手段。通过对破坏过程中温度变化规律的数值试验研究表明：在初始加载阶段,试样中的原生裂隙随着应力的不断增加而闭合,导致透水能力以及渗流速度的降低,渗流对温度场的影响作用也随之而逐渐减小;但当试样中的应力水平达到其峰值强度时,损伤急剧增加并形成了渗漏通道,渗流速度增大,试样顶端的温度也急剧升高。数值模拟得到的温度场随渗流速度和方向、应力、破坏三因素的变化规律有助于完善温度探漏的相关理论。     

准脆性介质热流固及损伤耦合效应的数值模型

运用热流固耦合理论,在岩石破裂过程分析系统(Rock Failure Process Analysis,RFPA)的基础上实现了温度-渗流-应力-损伤(Thermo-hydro-mechanical-damage,THMD)的多场耦合数值模型,并以此为工具进行了水工结构中温度场随渗流和应力而变化的规律研究。结果表明,水的流动导致的热量迁移现象可以用于分析水工建筑物的水温异常,并可将其作为结构是否出现了渗漏的一种监测手段。对破坏过程中温度变化规律的数值试验研究表明:在初始加载阶段,试样中的原生裂隙随着应力的不断增加而闭合,导致透水能力以及渗流速度的降低,渗流对温度场的影响作用也随之而逐渐减小;但当试样中的应力水平达到其峰值强度时,损伤急剧增加并形成了渗漏通道,渗流速度增大,试样顶端的温度也急剧升高。数值模拟得到的温度场随渗流速度和方向、应力、破坏三因素的变化规律有助于完善温度探漏的相关理论。     

基于正交设计的膨胀土冻融循环试验研究

南水北调南阳段膨胀土位于季节性冻土区域,易受冻融循环的影响。以南阳膨胀土为研究对象,对不同含水率、冻结温度、冻融循环次数的膨胀土试样进行变形测量和无侧限压缩试验。试验发现,含水率对膨胀土力学性质影响较大,含水率越高,强度与弹性模量衰减量越大;冻结温度对试样体积有较大影响,尤其是-10 ℃。根据显著性分析理论,研究含水率、冻结温度、冻融循环次数以及各因素间交互作用对膨胀土物理力学性质影响的显著性。结果表明,含水率对膨胀土力学性质影响最明显,含水率和冻结温度间的交互作用对强度影响较为显著;冻结温度对膨胀土体积变化影响最大,含水率和冻融循环次数的交互作用对体积变化有一定影响。在研究冻融循环条件下膨胀土物理力学性质时,不仅要考虑单一因素的影响,还应综合考虑各种因素交互作用的影响。     

岩溶隧道帷幕注浆止水技术及施工——以宜(昌)万(州)铁路金子山隧道为例

强岩溶区隧道施工中,隧道周边一定范围内的岩溶地下水在隧道施工中将导致隧道岩体工程地质和水文地质条件发生变化,造成围岩强度降低,渗透水压力增加,并可能造成隧道的突然涌水和突泥事故,帷幕注浆是隧道等地下工程施工中防渗止水的有效技术。以在建宜昌-万州铁路金子山隧道为依托工程,在介绍隧道帷幕注浆目的、注浆止水的机理基础上讨论了金子山隧道帷幕注浆止水施工工艺和注浆施工方案,详尽介绍了帷幕注浆的施工组织、机械设备和人员的配备,并就帷幕注浆中注浆量的推算和止浆墙的安全厚度进行了重点探讨,金子山隧道帷幕注浆的成功经验可为同类工程的施工提供技术资料和经验借鉴。     

深水水库隔水幕布透水率对下泄水温影响研究

隔水幕布作为分层取水设施可有效缓解由深水水库温度分层导致的低温水下泄影响。为探究幕布材料透水率对下泄水温及幕布总体受力的影响,依据一深水水库实测水文水温资料,建立并验证了该水库的三维水动力水温数值模拟模型,对比分析了不同工况下的流场、温度场及幕布总体受力结果。研究结果表明:随着幕布材料透水率增至7%,下泄水温逐渐降低,较未采用幕布时下泄水温提升幅度由2.31℃降至0.33℃。随着材料透水,幕布总体受力减小,不透水幕布所受总水平推力为1242 t,满足下泄水温需求的透水率为2%的幕布所受总力为293t。在工程应用中应根据水温提升需求,综合考虑幕布受力及经济性等因素选用幕布材料,对于该工程幕布材料平均透水率不应超过2%。     

引洮7~#隧洞TBM卡机脱困冻结施工热固耦合分析

基于考虑相变的热固耦合理论,以引洮7#隧洞TBM卡机脱困施工为背景,运用大型有限元分析软件ANSYS14.0对该TBM脱困过程的冻结施工进行模拟,研究了先竖直冻结、后水平冻结条件下温度场的形成过程,以及在温度应力和重力共同作用下实施脱困后关键点的位移变化。结合现场监测数据,分析了冻土帷幕形成过程中关键点处温度变化规律。结果表明:冻结锋面在水平冻结进行约35 d首次相交,再经过30 d积极冻结后,冻结帷幕达到2.7 m的设计厚度。在冷媒温度保持-21℃左右的条件下,进行65 d的维护冻结后即可进行脱困作业。开挖后55 d,洞身断面顶拱、底拱、侧拱均发生不同程度的变形,变形量在10-4m数量级,属极小变形,说明冻结施工有效地抑制了地层变形,但要使冻结强度达到设计标准,必须严格控制冻结时间和冷媒温度。本工程的工程实践为类似工程提供借鉴。     

基于温度场分析的新型水下清淤装置数值研究

为了解新型水下清淤取样冻结装置在施工过程中的温度场发展变化规律,以及最终冻结效果的可靠性,采用有限元分析软件建立温度场数值模型,模拟水下清淤装置在冻结过程中的温度场发展动态变化过程,得到最终数值计算的温度场云图及等温线图。主要得到以下结论:积极冻结10 d可使-1℃等温线基本完成交圈,积极冻结20 d可使-10℃等温线完成交圈,此后冻土帷幕的发展速度减缓,冻土区域趋于平滑。通过分析设置在冻结装置上的5条观测路径及测温点,得到结论如下:积极冻结30 d后即可达到清淤所需强度,此时,各路径上的观测点温度均已达到-10℃以下,可以保证冻结效果的可靠性。清淤装置的冻结管排布方式对温度场发展会有较大的影响,顶部冻结板会影响温度场垂直方向的发展,其影响范围约为1.5 m。以上研究结果有助于对日后的工程实践提供相应的指导和帮助。     

冻土水文地质学研究进展

冻土水文地质学主要研究冻土区水分要素的时空分布和运动规律及其与冻土间的相互作用。在微观上,冻结温度、未冻水含量以及孔隙水压力等冻土层独有的水热参数决定了冻土的结构和物理力学性质,同时影响了冻土层的冻融过程。而宏观上,冻土层的存在改变了常规的地表径流和水系模式,地下水的循环系统也由于冻土层的季节性冻融发生了根本变化,形成了冻土区独特的水文地质条件。从微观和宏观两种角度系统归纳与总结国内外冻土水文地质学研究进展,并分析包括地球物理技术、水化学、冻土水文模型在内的技术方法,同时对高寒区特有的地下水溢流冰、融雪入渗和冻土保墒现象的研究成果进行总结与分析。冻土水文的发展趋势应在积累研究数据和技术方法的基础上进一步探索产汇流过程机理,并建立更完善的冻土水文物理模型,定量分析冻土与水资源之间的相互作用。     

横泉水库坝基风化基岩帷幕灌浆施工技术

横泉水库工程地质条件复杂,风化岩层上存在厚度为16～30 m的覆盖层,覆盖层由土层和砂卵石组成。介绍了深厚覆盖层帷幕灌浆施工技术。从灌浆成果、检查孔压水试验、岩芯采取情况分析,灌浆效果明显,达到了预期目的。为深厚覆盖层风化基岩帷幕灌浆积累了经验,可供类似工程帷幕灌浆施工时参考。     

冻融循环对水泥土三轴强度指标与裂隙演化规律的影响

针对水泥改性淤泥质软土受冻融循环效应影响的工程问题,开展冻融循环处理后水泥土三轴剪切试验、CT扫描试验和SEM扫描试验,研究了不同冻融循环次数(0~10)次下水泥土的力学特征和微结构损伤规律。试验结果表明:水泥土三轴应力-应变曲线均为应变硬化曲线,黏聚力、内摩擦角随循环次数增加而逐渐减小,且分别表现为指数型和线性衰减趋势;根据CT扫描图像的二值化处理结果对裂隙演化规律进行了定量分析,发现裂隙率随循环次数增加保持指数型增加;在冻融循环过程中裂隙率与强度指标的变化保持一定的同步性;由SEM扫描试验可以观测到冻融循环使水泥土内部的水泥基胶结物流失,颗粒间密实度下降,这是导致裂隙扩展和力学性能衰减的微观机制。