复杂条件下深基坑多层支护方法及数值模拟研究

海相沉积土岩复合地层,其上部淤泥质土承载力低易变形,合理选择支护方式对此条件下深基坑工程的稳定性显得尤为重要。而对于建筑物密集的区域,施工场地狭小,满足不了台阶式支护等对施工场地的要求,因此该文针对此种复杂地质条件,提出了多层支护结构的深基坑支护方式及其数值分析方法。运用有限差分软件FLAC3D实现了多层支护结构的数值模拟,分析了采用不同支护结构时深基坑围护桩桩体挠曲位移、桩顶水平位移和竖向位移的变化规律。结合现场试验、监测数据研究了深基坑多层支护结构的变形特性和支护作用。与传统深基坑支护形式对比,多层支护结构能减少20%的锚索用量（密度上）,优化了支护方式。研究成果对海相沉积土岩复合地层条件下的深基坑工程具有重要的理论和工程指导意义。     

岩质边坡微震活动特征及其施工响应分析

 岩石高边坡稳定性是水电工程建设能否顺利进行的关键问题之一。锦屏一级水电站左岸边坡地应力高,断层裂隙发育,岩体卸荷深度大,地质条件复杂,边坡在施工期和运行期的稳定性问题十分突出。介绍左岸边坡微震活动特征,并对开挖卸荷过程微震活动性时空分布规律以及与不同时段、区域的施工工况进行对比分析,对岩石微破裂萌生、发育、扩展、聚集趋势与岩体损伤关系进行探讨,得到左岸边坡微震活动与施工响应之间的相互关系。结果表明：大坝基坑、煌斑岩脉置换斜井、1 670 m雾化区边坡排水廊道开挖和边坡弱层固结灌浆引起的深部岩体卸荷松弛而诱致微震活动性,可以很好地揭示和反映现场施工工况。研究成果可供其他类似岩质高边坡工程借鉴、参考。     

含交叉多裂隙类岩石材料单轴压缩力学性能研究

 以类岩石材料模拟岩体,考虑了主次多裂隙、等长多裂隙两类交叉多裂隙形式,制作含交叉多裂隙试件,对试件进行单轴压缩实验,研究了含交叉多裂隙岩体在单轴压缩下的力学性能。研究表明：含2条交叉裂隙试件强度高于含单一裂隙试件,当裂隙数量超过2条(不含)时,含主次多裂隙试件峰值强度与含单一裂隙试件接近,含等长多裂隙试件的峰值强度及试件破坏所需外力功都低于含单一裂隙试件;次裂隙数量增加对含主次多裂隙试件强度影响不明显,裂隙数量增加对含等长多裂隙试件的强度降低作用非常明显;绝大部分含交叉多裂隙试件峰值强度对应应变低于含单一裂隙试件;含主次多裂隙试件起裂应力高于含单一裂隙试件,大部分含等长多裂隙试件起裂应力低于含单一裂隙试件;含单一裂隙试件破坏面为剪切裂隙,含交叉多裂隙试件破坏面以张拉裂隙为主。     

隧道断层泥注浆加固机理模型试验研究

 为研究永莲隧道断层泥注浆加固机制,设计一套由注浆工艺模块、被注介质模块和信息采集模块构成的断层泥注浆加固试验系统,开展断层泥注浆加固体单轴压缩试验、典型浆–岩界面特征试验和扫描电镜(SEM)试验。结论如下：注浆后断层泥单轴抗压强度可提升181%～2 535%,加固体呈现浆脉开裂→界面附近土体破坏→整体破坏特征,断层泥以骨架式加固模式为主,注浆压力是提升加固效果的主控因素;注浆后浆–岩界面黏聚力可提升93%～274%,分析不同注浆压力、材料和初始干密度对浆–岩界面强度的影响,相比双液浆,单液浆可使界面黏聚力提升幅度增加125%～148%;注浆后断层泥由絮状结构转化为密实整体结构,浆–岩界面是具有一定厚度的不规则结构体,由胶结面、渗透过渡区及微劈裂过渡区构成,界面附近存在物理力学特征突变区,定义了浆–岩界面的直接及间接加固模式。试验结论对于注浆加固理论的认知和注浆工程的应用有一定的指导作用。     

饱水过程中类岩石材料波速和电阻率变化规律及其相互关系试验研究

 研究饱水过程中岩石波速和电阻率变化规律及其相互关系,对实际工程中岩石物性判断和地球物理探测资料综合分析解释具有重要意义。为防止原岩试块的矿物组成、原生裂隙等其他因素对试验结果的影响,采用水泥砂浆制作了30组孔隙率不同的类岩石材料试块,系统测试了饱水过程中不同试块的波速和电阻率变化情况,分别揭示了波速和电阻率随饱和度、孔隙率的变化规律。采用常用的基于Wood理论假设的Gassmann方程得到了波速与饱和度、孔隙率的理论关系,但与试验实测结果相比,该理论关系不能较好的描述饱水达到门槛值之后波速快速上升的特征。对此,考虑重力等影响对试块中孔隙水的分布状态做出了合理假设,修正了饱水全过程中波速与饱和度、孔隙率的关系式,与试验实测数据变化特征较一致。同时采用Archie的非饱和岩石电阻率模型公式对电阻率随饱和度和孔隙率变化规律进行了较好拟合。在此基础上,针对以往波速与电阻率关系研究中仅以孔隙率为纽带的问题,综合考虑孔隙率和饱水状态对波速-电阻率变化规律的影响,建立了以试块孔隙率和饱水状态为桥梁的波速–电阻率关系,与试验实测数据拟合较好,并通过石灰岩原岩试块测试验证了其合理性。     

隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势

 超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节,对隧道信息化施工、灾害防治和安全保障具有重要作用。在收集整理国内外研究资料的基础上,总结钻爆法和TBM施工隧道的超前地质预报技术的研究现状。钻爆法施工隧道超前预报技术取得较大进展,涌现出一批专用的反射地震类、电磁类和电法类超前探测地球物理方法、技术与设备,逐步形成定量化探测思想和综合超前预报技术。认为基于多元地球物理信息融合与联合反演理论的综合超前地质预报技术是压制探测多解性、提高预报可靠性的可行有效途径;激发极化技术和核磁共振技术则由于其参数对水量的响应敏感性在定量探测水量方面显示出较好的应用前景。同时,TBM施工环境具有其特殊性和复杂性,少数几项专用探测技术的探测效果无法满足工程需要,总体上处于初步研究阶段,尚没有可用、可靠、有效的超前预报技术。结合课题组的研究特色,介绍3种自主研发的钻爆法隧道超前预报技术的最新进展及其用于TBM环境的可行性,提出了四阶段全过程的隧道综合超前地质预报体系,初步形成基于约束联合反演理论的综合预报方法,在钻爆法施工隧道定量化超前预报方面进行有益探索。最后,对隧道施工超前地质预报的发展趋势及其中的关键问题进行预测,认为以下4个方向是今后研究的重点和趋势：(1) 隧道施工定量化超前预报理论与技术的发展深化;(2) TBM施工隧道超前地质预报技术与装备;(3) 钻孔精细超前探测理论与技术;(4) 实时超前地质预报与施工灾害监测技术。     

深部厚煤层综放沿空掘巷煤柱合理宽度试验研究

 煤柱合理宽度的确定是影响综放沿空掘巷围岩稳定性的重要因素。以深部厚煤层综放沿空掘巷赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背景,首次提出一种新型侧向支承压力监测方法,通过现场应力监测和数值模拟相结合的研究方法确定区段煤柱合理留设宽度。现场应力监测与数值模拟结果显示,采空区侧向支承压力影响范围为50～56 m,低应力区宽度为12～15 m,考虑沿空巷道应处于应力降低区内,煤柱留设宽度不应大于7～10 m;同时,从有利于锚杆锚固出发,煤柱宽度不应小于4 m。综合考虑煤柱稳定性、次生灾害控制及煤炭资源回收等因素,最终确定煤柱留设宽度为5 m。采用大型地质力学模型试验与现场试验对煤柱宽度合理性进行验证,结果表明,巷道表面位移均呈现沿空帮＞顶板＞实体帮＞底板的变化趋势,掘巷稳定后,现场实测顶底板移近量最大为271 mm,两帮移近量最大为359 mm,巷道围岩控制效果较好;同时,锚杆、锚索受力均在其屈服范围内,并为回采期间预留充足的余量。研究结果可为类似开采条件下的区段煤柱宽度确定提供参考依据。     

一种新型高分子注浆材料的试验研究

 在深部岩土工程实体加固及涌水封堵治理的基础上,分析一种新型高分子注浆材料反应机制的可行性,就浆材的黏结性、凝胶性、固结体抗压抗折强度等进行详细的室内试验研究工作,并在模拟的砂卵砾石层中开展渗透注浆模拟试验研究,分析注浆压力、注浆时间、浆液温度、围岩渗透系数等主要因素对浆液扩散半径和注浆后结石体抗压强度的影响规律以及其相互关系。结合现场工程实例,进一步验证该化学浆液在工程加固及涌水封堵治理上的实用性和优越性。试验结果表明：注浆材料的流动性、黏结性、早强性及耐久性较好,具有储存运输方便、工艺简单实用、遇水急速膨胀、固结体无毒环保等优点。浆液扩散半径随注浆压力、注浆时间、渗透系数的增大而增大,随浆液温度的升高而减小,最显著的影响因素是注浆压力和渗透系数,其次是浆液温度和注浆时间;注浆后结石体的抗压强随注浆压力、浆液温度、孔隙度以及注浆时间的增大而增大,注浆压力和孔隙度对结石体抗压强度有较大影响,浆液温度次之,注浆时间对结石体强度的影响最小。研究结果表明该高分子注浆材料具有良好的工程加固和封堵性能,与传统固化材料相比,具有凝胶快、强度高、膨胀性好等优点,是一种比较理想的高分子加固材料和堵水剂。     

非线性破坏准则下水平浅埋条形锚板抗拔承载力的极限分析

基于非线性Mohr-Coulomb强度准则, 根据相关联的流动法则, 构造出条形锚板上方土体破坏的机动许可场, 利用极限分析上限法, 结合变分原理, 推导出了水平浅埋条形锚板极限抗拔力的表达式与极限状态下对应的土体破裂机制, 讨论了不同锚板设计参数与土体强度参数, 对锚板极限抗拔力与土体破裂机制的影响, 并将该文计算结果与不同计算方法对应计算结果进行了对比。计算表明:随着锚板埋置深度、土体初始粘聚力与重度的增加, 锚板的极限抗拔力不断增大;该文提出的土体破裂机制, 与现有文献中的试验结果一致, 破裂曲面的形状主要取决于非线性系数m的大小, 而且非线性系数m对锚板极限抗拔力也有着显著的影响, 随着非线性系数m增加, 锚板抗拔力非线性不断降低, 土体破裂范围不断减小, 破裂曲面的曲率则不断增加, 当m=1.0时, 破裂曲面退化为一平直面。该文上限解计算结果与现有文献计算成果以及数值计算结果非常接近, 从而证明了该计算方法的有效性, 为条形锚板的设计提供一定参考。     

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。