以含密实管基、脱空管基和高聚物修复管基的腐蚀排水管道为研究对象,针对不同车辆轴载下3种不同管基状态的腐蚀管道开展现场足尺试验。根据现场试验分别建立含密实、脱空和高聚物修复管基的腐蚀排水管道精细化三维有限元模型,对试验结果的可靠性进行验证。研究结果表明:实测数据和模拟结果吻合度较高,最大误差仅为10.9%;车辆轴载质量从15 t增加到20 t和25 t时,脱空管道承插口管顶内壁应变相对于密实管道分别增加了62%、54%、38%和36%、14%、11%,说明管底脱空可显著改变管道的受力状态;密实和修复管道承插口内外壁环向应变十分接近,表明高聚物注浆预处理技术修复管底脱空效果显著。

水泥加固土被广泛应用于海相软土的地基加固工程中。由于其显著的空间变异性与复杂的本构特性,水泥土的特征强度选取较为困难。欧洲规范认为,岩土参数特征值的选取应该考虑岩土工程结构的整体性能;若使用基于可靠度的设计方法,须保证以该特征值设计的岩土工程结构出现极限状态的可能性不大于5%。结合随机有限元分析,将点强度的统计特性与岩土工程结构整体性能直接联系起来,提出一种基于整体性能以及可靠度的分析方法,为水泥土特征值的选取提供一种思路。

由于受城市特点、道路交通状况以及地下市政管线和各种构筑物影响,北京地铁车站采用浅埋暗挖法施工占有重要的比重。结合近年来参与的暗挖地铁车站结构方案研究成果,以地铁车站结构风险及周边环境风险控制为设计方案制定的依据,阐述了在“暗挖车站拱部竖向地层压力计算方法、地层沉降控制标准、地层加固设计、初期支护承载作用以及结构关键工况”等方面的研究进展。

在系统整理国内外研究资料的基础上,从岩体结构信息采集及集成、危石稳定可靠性分析、巨石垮塌灾害监测及防控等方面总结隧道巨石垮塌灾害的研究现状。系统阐述现有隧道巨石垮塌灾害的理论及技术缺陷,并对危石防控对策进行相关探讨,为隧道巨石垮塌灾害领域的研究提供理论基础。

针对富水风化花岗岩隧道突水突泥灾害频发、危害严重的难题,以广西均昌隧道突水突泥灾害防治为例,通过分析隧道历次突水突泥灾害特征,提出富水风化花岗岩隧道突水突泥灾害防治总体原则,综合室内试验与现场试验,建立了以浆液复合、注浆工艺复合、注浆压力动态调控为核心的动态信息化帷幕注浆技术,并形成了以检查孔观察法、检查孔取芯法、涌水量分析法及检查孔P-Q-t曲线法对帷幕注浆效果进行综合评价的方法,成功解决均昌隧道突水突泥灾害防治技术难题,研究成果对类似地质条件的隧道建设具有重要的参考价值。

针对复杂地形下轨道交通引起的环境振动问题,采用现场测试的方法,对重庆轻轨6号线经过典型斜坡的高架段进行监测,分析倾斜地层条件下轨道交通振动传播衰减规律。研究结果表明:半凹形场地下地面振动的主要频率为30~95 Hz,地面振动呈波动性衰减,在垂直轨道中心线以及与其成45°方向上均出现两个振动放大区;受场地地形的影响,振动主要聚集在凹形场地内,两个方向振动在凹形场地内衰减并不明显,但衰减规律差异显著;在靠近桥墩附近低频振动较为明显,并且列车运行具有明显周期性加载现象;地面振动主要集中在高频部分,但高频部分衰减并不明显,而低频部分出现了一定的衰减。并且上行列车引起的各频率振动大于下行列车。

通过现场CPTU(孔压静力触探)测试,运用专门解译CPTU数据的分析软件对测试数据进行解译,并利用CPTU方法对场地进行土质分类与土层划分,计算工程区土体的物理力学参数。通过与室内试验结果对比,证明CPTU技术在深厚海相软土地区工程勘察的适用性。基于CPTU方法从理论上预测桩基的竖向承载力,建立刚性桩复合地基的数值模型,并模拟了现场静载荷试验。通过理论计算、数值模拟与现场静载荷试验分别评价复合地基单桩竖向极限承载力,并讨论刚性桩复合地基的破坏形式,提出复合地基单桩承载力特征值的确定方法,研究复合地基桩土相互作用机理以及设计荷载作用下的工作性状。

采用在中柱顶端设置弹性滑移支座的方法,建立土-地下结构静动力耦合非线性相互作用的整体二维有限元计算模型,分析弹性滑移支座对地铁地下车站结构的侧移反应和地震损伤等结构地震反应特征的影响规律。结果表明:弹性滑移支座能够有效地减轻中柱及中板的地震损伤程度,使得中柱在地震中完全处于受压状态,能够有效地提高车站结构的整体抗震性能。滑移支座减弱了车站结构的抗侧移刚度和楼板的平面整体抗弯曲刚度,明显增大了地下车站结构的地震侧向位移反应幅值;因中柱改变了地铁地下车站结构的动力反应变形特征,使得车站结构顶底板与侧墙连接部位的结构地震损伤明显加重。

随着铁路、水利、矿山等工程的发展,越来越多的硐室需要在深部开挖。工程爆破开挖和断层滑移等动力荷载严重影响着地下硐室围岩的稳定性。利用有限差分软件FLAC3D,对地下硐室在爆破和断层滑移作用下的围岩稳定性进行模拟,引入地震动峰值速度(peak ground velocity,PGV),利用萨道夫斯基公式和McGarr公式拟合得到不同震源机制下围岩PGV的数学关系式。结果表明,在爆破荷载作用下,地下硐室与震源间的距离对硐室稳定性影响显著,萨道夫斯基变形公式可以很好的表征围岩体响应的PGV,但McGarr变形公式不适用;在断层滑移作用下,萨道夫斯基变形公式和McGarr变形公式拟合度低,滑移角度对硐室的稳定性影响更大。深部地下硐室支护应考虑震源的影响,如PGV等,对于断层滑移产生的震源需要考虑滑移角度对PGV的影响。以上结论为岩土工程地下硐室开挖及支护提供数据支撑与理论依据。

准确理解和预测开挖损伤区的分布特征与范围对于地下工程稳定性分析、支护优化设计等具有重要意义。给出裂隙岩体失稳、张开、剪切三类开挖损伤区的定义及其判别标准,并建立基于Barton-Bandis本构模型的裂隙岩体开挖损伤区离散元模拟方法。依托白鹤滩水电站4#引水隧洞建立离散裂隙网络模型,模拟得到的开挖损伤区深度与实测结果基本一致,证明本研究提出的裂隙岩体开挖损伤区离散元模拟方法的正确性。考虑裂隙岩体中粗糙度JRC(Joint Roughness Coefficient)的随机分布,张开区和剪切区范围随JRC平均值的增大而减小,高概率张开区和剪切区范围随着JRC分布标准差增大而增大。

为研究地铁装配式外置槽道在火灾场景下的安全性能,采用ABAQUS有限元软件建立混凝土管片、纵向连接螺栓以及外置槽道的数值模型,模拟计算其在碳氢(HC)升温曲线下的温度与温度应力分布规律。研究发现:外置槽道的存在会显著提高纵向连接螺栓的温度,且手孔处与挂耳紧贴的混凝土面的温度分布规律明显区别于无槽道情形,温度高出约100 ℃;外置槽道对手孔侧边和远离手孔混凝土的温度影响不大,但会加速紧贴面混凝土与纵向连接螺栓裸露端的升温;外置槽道进一步加剧了纵向连接螺栓与周边混凝土温度的不均匀性,从而产生额外的温度应力,但仍在允许范围内。

为进一步分析组合岩体中水力裂缝扩展路径复杂特性,从煤矿坚硬顶底板致裂管理、煤层瓦斯增透以及煤与页岩非常规复合储层压裂角度,建立煤岩组合体模型,分析不同工况下水力裂缝扩展特征并对比破裂压力变化规律。研究发现,本煤层压裂时裂缝复杂度高、扩展路径曲折,益于煤层增透,而不利于坚硬围岩定向管控;在坚硬围岩中压裂时水力裂缝相对平直,利于坚硬顶板定向预裂,但裂缝切穿煤层深度不足,需布置顶底板配对井同步压裂以达到煤层充分增透。增加压裂井的数量时,压裂井及水力裂缝之间产生相互干扰。若兼顾坚硬围岩弱化以及煤层瓦斯增透,需制定合理布井方案,以达到最佳致裂效果,并节约生产成本。页岩储层中赋存天然裂缝的产状影响压裂液滤失及孔隙水压力分布,页岩水力裂缝扩展同时受天然裂缝分布、地应力影响。将不同工况下破裂压力计算结果与部分理论公式结果对比,各种公式所得破裂压力离散,数值计算结果在理论解答变化范围内,并且能更全面地考虑多种储层地质因素、压裂工艺因素对破裂压力的影响。研究结果对于煤矿坚硬围岩管理、煤层增透,以及页岩储层改造方面具备一定参考意义。

针对吉林市北山人防工程改建的四季越野滑雪场工程地质复杂,服务年限较长,大跨度硐室(暴露面积可达2 000 m²以上)稳定性的问题,进行岩体结构的精细化勘查,采用室内岩石力学试验、孔内波速测试分析,基于摄影测量法结合基于孔内雷达和孔内电视的结构面调查等多手段协同测试隧道硐室围岩的表面节理、破碎带、松动圈空间分布等,对围岩质量进行精准分类、分级、分区,确定力学参数,研究围岩稳定性。对大断面硐室进行数值模拟分析计算,圈定其顶板拉应力区,给出加固方案。本研究对同类隧道扩改建工程具有参考意义。

滚刀与岩体间的相互作用是TBM技术的核心,数值模拟是研究这一过程的重要手段。基于岩土体离散元软件MatDEM进行二次开发,构建包含50.2万单元的软硬互层岩层模型和盾构滚刀模型,对滚刀破岩过程进行模拟计算,记录并分析模拟中边界及滚刀受力、颗粒连接、能量转化、热量分布等信息。结果表明:硬质岩层内边界及滚刀受力变化明显,刀盘垂向及层面垂向单元受力较大;软质岩层内边界及滚刀受力较小,滚刀受力均匀;硬质岩层内颗粒连接断裂数较软质岩层少,岩体切削量也较小;硬质岩层内系统能量变幅较大,系统能量主要以摩擦热形式存在。MatDEM有效地模拟了滚刀破岩过程,通过修改滚刀形态和岩石性质等,本算例可用于各类工况滚刀破岩研究中,为大规模滚刀破岩数值模拟提供一个新的途径。