地下工程流–固耦合试验新技术及其在充填型岩溶管道突水模型试验中的应用

在地质力学模型试验技术的基础上,根据大型交通、水利水电及矿山工程的需要,开展大比尺流–固耦合模型试验技术研究,包括新型流–固耦合相似材料、三维可视化固液耦合试验系统以及多物理场信息监测分析技术。提出了流–固耦合相似材料的配制原则,选择了多种性能耦合较小的调节剂,实现了强度、渗透性、重度等指标的独立调节,大大提高了材料的相似度,保证材料能够在水长期作用下保持稳定的性质,很好地模拟中、低强度的岩体、破碎带及充填物。三维可视化固液耦合试验系统具备了自动化静力加载和数字化水压加载功能,实现了复杂地质条件下有压水体与相似材料的大面积直接作用,为流—固耦合条件下渗流和突涌水过程的模拟提供了可视化的试验场所。光纤技术、电阻元件柔性防水技术和自动化数据采集分析系统,实现了水环境下模型体内部渗压、应变和位移的精确采集和分析。最后,依托湖北省保康至宜昌高速公路尚家湾隧道,开展了充填型岩溶管道失稳突水的大比尺三维模型试验研究,真实再现了工程中的突涌水过程,揭示了充填型岩溶管道突水的灾变特征。流–固耦合试验新技术得到成功应用,为试验的顺利进行提供了技术保证。     

多元地球物理综合探测模型试验相似材料的研制

研制地球物理模型相似材料是地球物理探测模型试验成功的关键问题。针对地震波场、电磁场与直流电场多场相似的难题,应用多元地球物理场相似性原理,通过正交配比试验,研发了一种多元地球物理场综合模型试验相似材料。该材料以粉质黏土、碎石为骨料,以水泥为胶结剂,材料波速为236~1 260 m/s,电阻率为27.2~342.8Ω·m。通过正交试验发现影响试件波速的各因素主次顺序为压实度>含水率>水泥/黏土>碎石/黏土,影响试件电阻率的各因素主次顺序为含水率>压实度>碎石/黏土>水泥/黏土,影响综合地球物理相似材料波速与电阻率显著的两个因素为压实度与含水率。最后,开展隧道施工综合地球物理超前探测模型试验,得到具体模型试验要求的相似材料配比。TRT偏移图像上的强反射界面,电阻率反演图像上的低电阻率异常区域,与工程现场探测实例具有类似的异常体响应特征,综合探测结果与实际模型异常体位置较为一致,表明研发的相似材料能满足模拟综合地球物理场探测的需要。     

新型固流耦合相似材料的研制及其应用

 在固体模型材料研究的基础上,应用固流耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种新型的固流耦合相似材料(PSTO),这种材料用砂和滑石粉作为骨料,石蜡作为胶结剂,并配以适量调节剂混合而成。通过大量的室内试验,系统研究不同相似材料配比和装模温度对试件性能的影响规律,得到影响相似材料性质的若干因素。该材料的力学特性与岩石性质相似,且在水的作用下不发生软化,非亲水性良好,可模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的固流耦合相似模拟材料。将该材料应用于隧道涌水模型试验,可有效地揭示了位移、应力、渗压等多场信息的变化规律。     

隧道超前地质预报检波器耦合介质理论及试验研究

隧道超前地质预报是隧道施工中的重要部分,其准确性影响着隧道施工安全。为提高隧道超前地质预报的准确性,对隧道超前地质探测中检波器耦合介质开展针对性研究具有重要意义。本文通过对隧道检波器耦合结构开展理论建模,探讨了耦合介质在检波器与围岩耦合过程中发挥的作用。在此基础上,选用工业黄油、石蜡、石膏、环氧树脂以及黏质土5种耦合介质进行了现场耦合试验。最后,根据理论建模结果采用数值模拟手段对不同耦合介质的耦合过程进行了分析,并就介质厚度对耦合效果的影响进行了探讨。结果表明:材料的耦合效果与其固化强度呈正相关关系,基于理论公式的数值模拟结果很好地验证了试验结论;耦合介质厚度影响耦合效果的主要因素在于厚度过大会引起地震波损耗,厚度过小会产生较大的谐振现象。研究成果可服务于工程实际应用,进一步提高隧道超前地质预报的准确性。     

十字岩柱法隧道开挖地质力学模型试验研究

 以重庆市轨道交通三号线为工程背景,开展十字岩柱暗挖法地质力学模型试验研究,优化大断面隧道开挖工序,进行围岩岩土相似材料配比试验、模拟洞室开挖过程中锚固注浆加固作用、洞室开挖过程的围岩位移变形监测分析。试验结果表明：研制的钢结构台架可成功模拟加围压条件下的洞室开挖,可直观地观察到模型开挖时围岩的渐进破坏过程。模型试验采用的监测系统能对开挖过程中洞室围岩的位移进行实时监测,实现了开挖支护与监测记录同步进行。根据相关参数建立数值分析模型,将数值计算结果与试验实测结果进行对比分析可知：二者结果基本一致,规律大致相同,且最终位移值满足试验要求,表明模型试验取得了较为理想的效果。研究工作对实际工程施工及今后类似模型试验研究的发展具有一定指导作用。     

隧道单车压力波数值模拟验证研究

数值模拟在隧道压力波研究中能灵活模拟不同的工况,并且在费用方面与现车试验、实验室模拟试验相比有不可替代的优越性,因此越来越受到研究人员和隧道设计单位的重视和关注。但国内数值模拟软件因缺乏现车试验数据的支持,故其可靠性一直备受争议。为验证我校自主开发的数值模拟软件,笔者对不同车型以不同车速通过遂渝高速铁路线上的荆竹岭和松林堡两个隧道时产生的隧道压力波进行数值模拟,并将模拟结果与遂渝高速铁路现车试验数据加以比较。结果表明:模拟结果的波形变化规律和趋势与现车试验结果基本一致,且隧道压力波最大值和最小值的误差小于5%,满足工程应用要求,成功验证了该数值模拟软件的可靠性和先进性,最后笔者对误差来源进行分析,为进一步改进和完善该数值模拟软件指出了方向。     

岩石结构面力学原型试验相似材料研究

基于岩体结构面抗剪强度机制及相似材料的选择原则和要求,研制以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合而成的模拟材料,并利用其制得的试样及结构面模型进行大量物理力学试验的对比分析,研究结果表明:相似材料的抗压强度与原岩结构面相近,调整不同混合材料的配合比,相似材料可以覆盖中低强度的岩石类型;利用相似材料及多尺度试样模具可制作与原岩结构面表面形态及起伏度近似一致的模拟结构面;利用模拟结构面代替原岩结构面进行直剪试验,模拟结构面表面的磨损程度、粗糙度系数衰减规律及破坏形式均与原岩结构面相似,且模拟结构面抗剪强度直剪试验结果与理论计算值相差不大;模拟材料具有物理力学性能稳定、制作方便、成本低廉的优点,可代替原岩结构面进行不同尺寸、可重复性的破坏性试验。     

地铁隧道工程人工冻结法研究进展

简要介绍了近年国内人工冻结法在地铁隧道联络通道和隧道进出洞施工中的应用.根据人工冻土的物理力学性质和工程中的问题,将已有成果主要分为施工现场监测、室内与模型试验、理论与数值模拟三部分进行讨论,总结了有关施工工艺的改进、温度场在施工过程中的发展、冻胀融沉引起位移的预测、理论建模和多场耦合的数值模拟等研究进展,并提出一点建...     

固液耦合试验隔水层相似材料的研究

 隔水层的采动稳定性模拟是开展煤层采动水土流失规律和保水开采控制研究的关键,隔水层相似材料的研制与配比变化规律研究是隔水层稳定性模拟的基础和前提。针对黏土隔水层物理力学特性及水理性,选取多种原料进行正交试验对比,得出硅油是最佳的低强度非亲水胶结剂,而凡士林为最佳的塑性变形的胶结剂,黏土对强度、塑性以及水理性都具有显著影响。通过强度、塑性和水理性的配比试验,可以模拟隔水层的应力–应变全程相似和水理性相似的“固–液”耦合模拟材料配比,解决隔水层塑性和水理性模拟难题。根据榆树湾煤矿地质原型,进行长壁工作面开采的“固–液”耦合相似模拟试验,验证相似材料配比的可行性,实现塑性隔水层的相似模拟,发现影响隔水层采动稳定性的关键因素是上行裂隙和下行裂隙。     

输水隧道动力模型试验中相似比尺规律的探讨

结构动力模型试验与动力模型破坏试验中,保持模型与原型相似的基本要求与处理技巧根据试验目的不同,而有所差别。这里就地下输水隧道考虑流-固耦合的动力模型试验进行理论研究和数值模拟,研究中根据工程的实际及模型试验选料的经济实用性,提出当原型与模型弹性模量不相等时的动力相似比尺是以围岩的弹性模量比来计算的规律。为今后复杂的地下水工结构动力模型的结构动力特性和破坏试验的相似问题拓宽思路,提供有用的参考价值。     

地下工程流–固耦合模型试验新型相似材料的研制及应用

 依托青岛胶州湾海底隧道的现场勘探资料,应用地质力学模型试验的流–固耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和适量拌合水组成的新型流–固耦合相似材料(SCVO)。通过大量的室内试验,系统地研究不同配比对材料参数的影响规律,确定控制相似材料各性能的主要组分。试验表明,材料的强度和弹性模量主要由水泥和凡士林控制;黏聚力受凡士林影响明显;渗透系数可以通过凡士林和硅油的比例调节;硅油还可以起到保水、提高材料密实度的作用。材料的变形特性和水理特性由不同的成分控制,且相互间影响很小,实现材料性质的全面调控。该材料可以模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的流–固耦合相似模拟材料。并已成功应用于青岛胶州湾海底隧道的地质力学模型试验研究中,力学性能和水理特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供材料保证。     

海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用

 围岩与水体的流固耦合作用对海底隧道的稳定性具有重要影响,很有必要开展流固耦合模型试验研究。根据流固耦合模型试验的特点,研制可用于模拟准三维平面应力和平面应变的新型流固耦合模型试验系统。该系统的整体尺寸为3.4 m×3.0 m×0.8 m(宽×高×厚),由钢结构架、钢化玻璃试验箱和水压加载装置组成。其中钢结构架由6榀可独立操作的高强度合金铸钢构件通过高强螺栓连接组合而成;钢化玻璃试验箱结构,既能保证试验要求的密封性,又便于可视化观察施工过程中海底隧道围岩渗流、变形特征。同时,采用研制的新型流固耦合模型试验系统和独立研制的新型流固耦合相似材料依托青岛胶州湾海底隧道开展流固耦合模型试验研究,揭示海底隧道施工过程中洞壁压力和围岩位移场、渗流场等的变化规律。研究方法技术及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

高拱坝坝肩坝基整体稳定地质力学模型试验研究

锦屏一级水电站是雅砻江干流上的重要梯级电站。工程主要开发任务是发电，同时还兼有拦沙、防洪、蓄能作用。该工程大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高305m，为目前世界上最高拱坝。坝址区地质构造复杂，两岸谷坡为近千米的高陡边坡，两坝肩岩体内存在断层、煌斑岩脉、层间挤压带、深部裂隙等各类软弱结构面，对拱坝坝肩坝基稳定带来不利影响。采用三维整体地质力学模型试验研究方法，研究了锦屏一级高拱坝坝肩坝基的整体稳定性。试验中充分考虑了影响坝肩坝基稳定的各种因素，既考虑拱坝上游超载情况，同时还重点模拟两坝肩岩体中软弱结构面强度弱化的影响，为此研制了适合该工程的变温相似材料及试验模拟新技术，并在一个模型上进行了强度储备与超载相结合的综合法试验。通过试验获得了坝肩坝基的变形及分布特征、失稳的破坏形态和破坏机理，确定了拱坝坝肩坝基整体稳定安全度为4．7～5．0，评价了工程的安全性，并针对坝肩的薄弱环节提出了加固处理措施建议。     

新型组合钢连梁弹塑性状态下的抗震性能研究

通过含有钢筋混凝土连梁、钢连梁与新型组合钢连梁的结构进行试验对比,利用ANSYS软件建立试验模型,进行模拟试验分析,研究新型组合钢连梁在弹塑性状态下的抗震性能.试验结果表明,小跨高比连梁采用新型组合钢连梁,其抗震性能好,适宜剪力墙结构采用.     

小湾高拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究

 结合小湾高拱坝坝肩坝基的地形、地质特征、软弱结构面分布状况、浅层松弛卸荷现象以及加固处理方案,建立三维地质力学模型,研制主要断层的变温相似材料,运用超载与降强相结合的综合法对整体模型进行破坏试验。通过试验获得小湾拱坝坝肩坝基的变形特征、失稳的破坏过程、破坏形态及破坏机制,得到强度储备系数为1.2,超载系数为3.3～3.5,确定拱坝坝肩坝基整体稳定综合法试验安全系数为3.96～4.20。对试验数据的综合分析得出,两坝肩中上部高程部位由于对断层和蚀变带采用了混凝土洞塞置换,其变位相对较小,破坏形态和破坏范围相对较轻,说明混凝土加固洞塞置换起到较好的加固效果。根据试验显示的破坏形态和破坏区域,建议对右坝肩下游1 245 m高程以上的断层F11和F10做一定范围的处理,对左坝肩推力墩以上部分岩体进行适当的加固处理。     

房山大理岩本构性质的实验研究

本文介绍了作者们在常规三轴试验机上对房山大理岩试件做的循环载荷试验以及主要的实验结果．在弹塑性理论的框架内对实验数据和资料进行了整理。得到了屈服函数和硬化规律的具体表达式，验证了弹塑性理论的模型能足够精确地反映大理岩材料的力学性质．     

带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究

提出了围岩应力场及渗流场耦合作用的相似理论，研制了部分典型材料的固-流耦合相似配比，研制了三维固-流耦合相似模拟试验台，完善配套了加载系统、测试系统、开采系统和渗流场的模拟与测试系统。采用大型三维固-流祸合模拟试验台对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了模拟，得出了一系列的规律及结论。重点讨论了煤层底板的应力、位移随工作面开采的变化规律；得出煤层底板的应力、位移一直处于动态变化过程，分析了其变化的频度与幅度及其原因，为带压开采突水防治提供理论依据。     

组合梁中栓钉剪力键的受力特性分析

分析了栓钉剪力键的作用、受力状态、破坏类型和承载力,并以栓钉剪力键推顶试样为对象,建立了3D-FEM计算模型,应用MSC/NASTRAN程序,考虑了栓钉和混凝土材料的非线性,进行栓钉剪力键的设计承载力分析,分析结果与试验结果有很好的一致性。     

矿井含水构造附近采动岩体的温度响应特征相似模拟研究

 研究含水构造附近在采动影响下围岩的热扩散理论,采用新型的流–固耦合相似材料和相似模拟试验架,完善光纤温度、多点位移监测系统。对含水构造附近的煤层开采进行试验模拟,重点分析采动过程中覆岩变形引起渗流场、温度场的变化规律。通过试验得出：煤层开采前,初始地温场中含水构造处具有明显的低温异常特征;采动过程中,顶板岩体的热对流作用随采场推进逐步加强,岩体温度逐步降低,水体的温度影响范围逐步增大;在采动应力、承压水的耦合作用下,采场顶板断裂突水,岩体温度产生显著的突跳特征。通过试验数据,拟合试验条件下岩体温度场曲线的经验公式,为岩体温度法探水提供可靠的试验依据。