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山东大学
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[博士论文] 王汉鹏
工程力学 山东大学 2007(学位年度)
摘要:由于地形条件的限制和减少工程造价的考虑,正在施工建设的沪蓉西高速公路八字岭隧道出口采用分岔式形式。分岔隧道由大拱段、连拱段、小净距段和分离段组成,设计、施工都比较复杂,本文分别采用理论分析、模型试验、数值计算的方法研究了分岔隧道设计施工中的关键技术。并采用现场监测数据进行了对比分析,证明了研究结果的正确性。 建立了隧道中墙的承载模型,针对连拱隧道的混凝土中墙和小净距隧道的岩体中墙,分别给出了中墙的极限强度表达式,最后给出了中墙的失稳判据。研究了小净距隧道中间岩墙的支护措施,当中墙埋深一定时,可以通过加固措施提高中墙的C,φ值,采用预应力贯穿锚杆增加中墙的侧向力等加固措施增加中墙的强度。 应用新型地质力学模型试验台和IBSCM相似材料对分岔隧道这种新型的隧道结构进行了研究。共做了2个模型,分别研究了分岔隧道大拱段一连拱段和连拱段一小净距段的施工全过程及其在施工过程中的受力、变形、破坏形态和模型2的超载安全度。试验结果表明,大拱段和连拱段开挖位移不大,拱顶只有4mm左右,连拱段和小间距段的最终位移为4.5-6mm之间,水平位移都较小。中墙内的压应力集中,约为6.5MPa。大拱段和连拱段过渡处最危险,连拱中墙承受较大的压力,且中墙上部产生拉应力。模型2的拱顶、拱腰和中墙是隧道较易发生破坏的区域,靠近连拱段的小净距段较为危险。隧道超载安全度为3.5。. 采用损伤与弹塑性耦合的方法,根据不可逆热力学原理,推导出了损伤软化破坏理论,并用VISUAL FORTRAN6.5编制了大型三维损伤弹塑性有限元D-FEM程序。它能模拟岩土工程的开挖、回填等施工过程,且具有求解速度快、群组功能、材料模型多等特点。并采用FLAC3D进行了验证,结果表明考虑岩体损伤软化后的D-FEM有限元程序计算结果更加符合岩体破坏的真实特点。 应用损伤弹塑性有限元D-FEM程序分别研究了分岔隧道连拱段直中墙、连拱段曲中墙和小净距段中墙的合理取值,研究了不同围岩类别、不同埋深对中墙宽度的影响,并对分岔隧道的施工工序进行了优化。通过分析得出如下结论:(1)直中墙隧道的稳定性比曲中墙隧道要好,连拱段隧道中墙形式易采用整体式直中墙形式。(2)八字岭分岔隧道采用左洞超前32m,左右洞同步开挖的施工工序比较合理。 提出了分岔隧道整体线型优化设计的最优化模型。根据此模型,可以得出最经济的线型。分析了分岔隧道的支护措施,并针对八字岭分岔隧道原设计提出了建议。 现场监测了分俞隧道大拱段、连拱段和小净距段等不同断面的位移、锚杆内力、钢结构内力、二次衬砌内力、中墙压力及围岩松动圈的大小。现场监测的结果与模型试验和数值计算的结果对比证明了模型试验和数值计算的正确性。
[期刊论文] 王汉鹏 李术才 张强勇
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北大核心 CSTPCD CSCD EI CBST
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摘要:超载试验能得到隧道的超载安全度,通过大型地质力学模型对分岔隧道进行了超载试验,模拟了分岔隧道在不同侧压系数下围岩的变形、应力分布和破坏情况.同时,应用三维数值分析软件对模拟区域进行了模拟.模型试验和数值模拟结果分析表明,随着侧压系数K的增加,分岔隧道的侧向位移增加,拱顶位移由向下变为向上;当侧压系数为K=3.5时,应力达到极限;当侧压系数K≥4.0时,位移突变,最终最大位移达到100mm;塑性区骤增,隧道拱顶围岩开始开裂,且有块体掉落.分岔隧道的拱顶和两帮是最易破坏的区域,隧道超载安全度为3.5....
[期刊论文] 王汉鹏 李术才 郑学芬
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北大核心 CSTPCD CSCD EI CBST
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摘要:正在施工的沪蓉西高速公路八字岭分岔隧道属于偏压隧道,而且分岔隧道包括连拱段和小净距段,施工过程转换复杂,因此,采用正确的施工方案对于隧道的稳定性非常重要.为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤耦合模型,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM.建立了分岔隧道大型三维数值模型,采用弹塑性损伤有限元D-FEM模拟了分岔隧道不同的施工过程,通过分析施工过程中隧道围岩的位移、应力和损伤屈服区,最终确定采用左洞超前右洞32 m,左右洞同步开挖的施工方法....
[期刊论文] 李术才 王汉鹏 郑学芬
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北大核心 CSTPCD CSCD CA EI CBST
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摘要:建立中墙承载模型,通过理论分析分别给出连拱和小净距隧道的中墙稳定性判据,据此可得到中墙的合理厚度.以八字岭分岔隧道为例,分别采用地质力学模型试验和弹塑性损伤有限元模拟分岔隧道的施工全过程,给出围岩关键点位移和应力随施工过程的变化曲线以及围岩损伤区和塑性区的分布,提出分岔隧道的施工过程的优化措施.研究爆破施工对隧道稳定性的影响,提出不同中墙宽度、不同围岩情况下装药量的大小及施工措施.根据上述研究结果,针对原施工设计提出优化建议.对分岔隧道施工进行现场监测,监测数据与试验和计算数据的对比验证了试验和数值计算的正确性.监测结果表明隧道稳定,说明施工优化建议合理....
[期刊论文] 王汉鹏 李术才 郑学芬
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北大核心 CSTPCD CSCD
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摘要:沪蓉西高速公路分岔连拱隧道中墙结构的稳定性及合理宽度确定是设计施工中的首要问题.针对连拱隧道设计采用的整体式直中墙和复合式曲中墙2种结构,建立了不同的三维数值模型,采用三维弹塑性损伤有限元分别进行了研究.分析了不同埋深、不同中墙宽度情况下连拱隧道的稳定性及中墙变形受力情况、损伤区和屈服区分布.研究表明2种中墙内的损伤区和塑性区主要分布在中墙上部和底部,并随埋深增大和中墙宽度减小而增大,该部位是薄弱部位,应重点加固,相同条件下直中墙的受力和稳定性比曲中墙好,设计中应该优先选用直中墙.最后建立了中墙完好宽度与埋深和中墙宽度的多元线性回归预测模型,该模型可以根据埋深和中墙宽度预测中墙的完好宽度,从而确定中墙合理宽度....
摘要:在岩石试件单轴压缩破裂的基础上,进一步开展了峰后注浆加固试件的力学特性试验研究.分别采用水泥浆和玛丽散N加固破裂试件,试验发现分别采用玛丽散N、425#水泥进行破裂岩石注浆加固时,岩石强度比其残余强度都有显著提高,加固后岩石的变形趋于协调.同一浆液加固不同的岩石,被加固体本身的强度越高注浆加固体的强度提高越高;同样的岩石注入不同浆液,浆液的粘结强度越高注浆后的强度就越高.试验结果验证了岩石注浆加固是加固围岩非常有效的方法....
[期刊论文] 王汉鹏 李术才 郑学芬
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北大核心 CSTPCD CSCD
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摘要:分岔隧道连拱段至小净距段的过渡处,中墙由钢筋混凝土变为原岩,施工过程十分复杂.采用三维数值方法和施工现场监测相结合的方法研究了分岔隧道施工过程中的稳定性,数值模拟了无支护开挖和施加锚喷、二次衬砌支护后隧道的受力及稳定性.计算结果表明,支护后稳定性显著增强,与现场监测结果对比一致,隧道整体稳定性较好,但是中墙产生较大的应力集中,靠近连拱段的小净距段稳定性较差;锚喷、衬砌支护对于减缓围岩应力集中程度,减少塑性区、降低位移量有明显效果.最后在保证隧道安全的基础上提出了隧道支护的优化措施....
摘要:基于地质力学模型试验,分别从地质力学模型试验相似比尺的选择、相似材料的选择、模型的制作、模型的开挖与支护和数据的采集与分析5个部分阐述了试验过程中的关键技术问题.结合山东大学岩土中心的大型三维模型试验,重点分析了相似材料的选择、模型制作过程中的注意事项,包括模型试验台的设计、测点的布置、应变片的选择与粘贴、温度补偿与连接导线、模型的堆砌和应变块的埋设.这些关键技术影响着模型试验的成败,因此模型试验过程中的关键技术的研究对于地质力学模型试验具有一定的指导意义....
摘要:针对目前动力加载反力框架刚度过小、结构形式不合理和材料用量过大等不足,系统地进行反力架的设计与优化。通过SOLIDWORKS建立4种不同结构形式加载反力框架的三维模型,使用ANSYS和ABAQUS静力分析了不同结构反力框架的刚度、强度大小及分布范围,并对比用钢量、力学性能指标,选出鱼腹梁结构形式进行优化设计。针对鱼腹梁反力架,通过 ANSYS的模态分析得到其固有频率及振型,发生第一次垂向振动的频率为25.6 Hz,满足10 Hz作动器加载不引起共振的要求。通过瞬态分析模拟了10 Hz作动器试验时,反力框架的振动响应情况,最大位移为1.128 mm,但5 s后逐渐稳定在0.720 mm,满足动载荷精度和刚度要求。研究表明,相比于其他3种结构形式,鱼腹梁结构刚度最大、最经济,既满足动载荷刚度要求也节省了钢材。...
摘要:如何确定连拱隧道和小净距隧道中墙的合理宽度是隧道设计中的难题.建立了中墙承载应力与隧道跨度、中墙宽度和隧道埋深之间的关系,应用数值方法计算了不同中墙宽度、不同隧道埋深情况下中墙内的垂直应力,采用回归的方法确定了中墙承载的修正系数K与隧道跨度和中墙宽度的关系,从而建立了连拱和小净距隧道中墙的承载模型.将单轴抗压强度作为连拱隧道混凝土中墙的极限强度,根据极限平衡理论建立了小净距隧道原岩中墙加锚支护的极限强度,最后分别给出了连拱隧道和小净距隧道中墙的稳定性判据.举例说明了中墙稳定性判据在设计中的应用,并采用弹塑性损伤有限元计算结果验证了判据的可用性....
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北大核心 CSTPCD CSCD CA EI CBST
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摘要:介绍地质力学模型试验的研究进展,包括新型相似材料、组合式模型试验装置及应变、位移量测新技术.新型相似材料能更好地模拟工程岩体,且价格低、易干燥、可重复利用.研制的新型组合式模型试验台可自由组装、刚度大、整体稳定性好,液压加载系统可实现自动伺服控制和梯度加载.应变测试采用先进的高速静态应变采集分析系统和光纤测试技术,模型内部位移采用研制的光栅式微型多点位移计测量,隧洞表面位移采用内卡规、摄影测量和CCD激光位移传感器测量.上述测量手段具有自动化、高精度、受干扰小的特点,可得到更精确的试验结果.最后,以工程为例说明地质力学模型试验在分岔隧道研究中的应用....
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CSTPCD 北大核心
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摘要:为了在地质力学模型试验中更好地利用相似材料模拟层状盐岩的蠕变特性,以西气东输金坛盐穴储气库为工程背景,根据相似原理和原岩物理力学参数,通过大量的材料配比及力学试验,研制出符合该储气库层状盐岩力学特性的相似材料.该材料在蠕变试验中经历了初始蠕变、稳态蠕变及加速蠕变3个蠕变阶段,获得了相似材料在不同应力下的稳态蠕变率和长期强度,结果表明:其蠕变特性与盐岩原岩具有相似性,为地质力学模型试验中研究蠕变特性对盐穴稳定性的影响奠定了基础....
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北大核心 CSTPCD CSCD EI CBST
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摘要:地质力学模型试验均布压力精确加载是保证试验精度的前提.为此研制了一种新型柔性均布压力加载系统,该系统主要包括液压自动控制系统和柔性均布压力加载装置.液压自动控制系统操作方便,可实现计算机自动控制12路压力精确伺服加、卸载和长期稳压.柔性均布压力加载装置由液压油缸、球铰、刚性推力器和柔性传力橡胶垫块等组成,采用数值方法确定柔性橡胶的厚度为50 mm.该系统应用到表面不平的模型加载中并与刚性加载进行了对比.试验结果表明,柔性均布压力加载系统相对于刚性加载效果显著,模型内应力场均匀程度取决于橡胶传力垫块的邵氏硬度、加载应力大小和距表面深度.邵氏硬度小的橡胶柔性加载模型内应力场更均匀;且模型应力场随加载应力增大趋于均匀.模型内应力场距加载表面越远越均匀,柔性加载使距加载表面130 mm以下应力场基本保持均匀状态.试验表明,柔性均布压力加载系统有利于提高模型试验加载精度,具有广泛的应用前景....
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北大核心 CSTPCD CSCD EI CBST
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摘要:正在设计施工的某大型水电站地下洞室群地质条件复杂,其开挖支护方案对围岩稳定性非常重要,因此,对支护方案进行优化研究非常必要.为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤模型和损伤演化方程,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM,具有模拟开挖与支护、计算速度快、群组功能等特点.建立大型地下洞室群三维数值模型,将通过实测地应力反演的应力作为初始地应力.采用D-FEM模拟了不同支护方案洞室群的施工过程,通过分析洞室围岩的应力、位移和破损区,支护方案2的支护效果最好,建议采用此方案.考虑岩体损伤演化后与FLAC3D塑性区相比,洞室群边墙中部的破损区显著增加,因此,程序可应用于地下工程的稳定性分析....
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北大核心 CSTPCD CSCD CA EI CBST
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摘要:目前国内正在修建或拟修建多条海底隧道,其最小岩石覆盖厚度是海底隧道纵断面线路设计的主要参数之一,将直接制约着海底隧道的安全和工程造价.为此,开展了确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的确定方法和准则研究,并综合分析了各种不同方法确定的海底隧道最小岩石覆盖厚度对最终岩石覆盖厚度的权重影响.通过加权的方法得到了确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的方法和原则.最后结合工程实例,应用上述方法,得到了宁波象山港海底隧道最小岩石覆盖厚度....
摘要:介绍了国内外近几十年来岩土工程地质力学模型试验相似材料的研究现状,并分析了它们的优缺点.结合西部几个重大的隧道及地下厂房的地质力学模型试验研究,给出了一种新型的岩土工程相似材料,由铁精粉、重晶石粉、石英砂、松香酒精溶液等材料经一定的配比研制而成.通过实验室的单轴抗压强度试验、假三轴试验、巴西试验等经典力学试验研究这种复合材料在不同配比条件下的力学特性,从而使这种复合材料能用于不同工程的物理模型试验,并成功用于某大型分岔式隧道的三维地质力学模型试验中.试验结果证明,这种新型岩土相似材料能很好的满足不同工程物理模拟的需要,值得在以后的模型试验中得到推广....
摘要:地下盐穴储气库库容量大、运行时间长、注采运行频繁,针对储气库周期注采运行稳定性的分析至关重要.以中国某地下盐穴储气库为例,根据实际注采运行数据,利用Flac3D有限差分软件模拟注采运行过程,通过分析盐岩扩容损伤、塑性区分布、水平位移、体积收缩率,得到了盐岩性质、矿柱稳定性、注采气对腔体稳定性的影响.结果表明:在7年的周期注采后,盐腔周围未发生扩容损伤破坏,安全系数大于5;两腔之间矿柱塑性区未发生连通,矿柱稳定;盐腔体积收缩率最大为1.78%,腔体的年体积收缩率符合安全标准,储气库处于稳定状态....
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北大核心 CSTPCD CSCD EI CBST
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摘要:根据地质力学模型试验的相似原理,经过大量力学试验,研制出一种新型铁晶砂胶结岩土相似材料.该材料由铁矿粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液按规定配比均匀拌和压实而成,其中铁矿粉、重晶石粉和石英砂作为主料,松香酒精溶液作为胶结剂,石膏粉作为调节剂.材料力学参数测试表明:该材料具有重度高、力学参数变化范围广、性能稳定、价格低廉、干燥快速、制作工艺简单、无毒无害等显著优点,可用来模拟从软岩到硬岩的大部分岩体材料.将铁晶砂胶结岩土相似材料应用于沪―蓉―西高速公路大型分岔隧道三维地质力学模型试验研究,有效地揭示了分岔隧道围岩的力学变形特性....
摘要:为了从本质上认识一些深部巷道中出现的围岩破裂区和完整区间隔排列的分区破裂现象.以淮南矿区丁集煤矿深部巷道工程为研究对象进行了模型试验研究.并通过对现场监测结果和模型试验结果的对比研究与相互验证,归纳分析出了分区破裂现象的主要特征和变化规律,指出分区破裂是与洞室呈同心圆的环状拉破坏断裂.研究结果对于认识深部洞室围岩的破坏方式,揭示深部洞室围岩的变形破坏机理具有重要意义....
摘要:结合沪蓉西八字岭分岔式隧道三维地质力学模型试验,将静态电阻应变技术和光纤应变测试技术应用于地质力学模型试验中,并通过应变测试得到洞室周围关键点主应力的大小和方向.同时将试验测试结果与数值模拟结果进行对比分析,取得了较好的一致性.试验结果证明,只有将电阻应变片测试技术和光纤应变测试技术有机结合,才能得到较好的试验数据....
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