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        浩吉鐵路陽城隧道全風(fēng)化紅砂巖圍巖變形規(guī)律

        2021-10-14 05:05:40王志杰邱志洪蔡李斌張?jiān)?/span>馬兆飛夏勇徐海巖
        鐵道建筑 2021年9期
        關(guān)鍵詞:圍巖

        王志杰 邱志洪 蔡李斌 張?jiān)?馬兆飛 夏勇 徐海巖

        1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610031;2.浩吉鐵路股份有限公司,北京100073;3.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津300308

        全風(fēng)化紅砂巖呈紫紅色、角礫松散結(jié)構(gòu),土顆粒間存在較大空隙,黏聚力較差,巖質(zhì)較軟弱,成巖作用差。隧址區(qū)全風(fēng)化紅砂巖分布廣泛,隧道易產(chǎn)生涌水涌砂、圍巖坍塌、初期支護(hù)變形開裂等問題[1-2]。

        何海鵬[3]基于蘭州市軌道交通1號(hào)線五里鋪換乘車站基坑,通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析及數(shù)值模擬研究了第三系風(fēng)化紅砂巖地層中深基坑開挖的變形規(guī)律與變形控制技術(shù)。夏勇[4]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出含水率對(duì)隧道圍巖壓力的影響顯著,富水區(qū)域圍巖壓力大易導(dǎo)致隧道偏壓,并給出全風(fēng)化紅砂巖深埋隧道圍巖壓力計(jì)算方法。朱彥鵬等[5]基于蘭州某地鐵工程,采用正交試驗(yàn),對(duì)不同配合比下的改良土展開了擊實(shí)試驗(yàn)和快剪試驗(yàn),分析了紅砂巖改良土抗剪強(qiáng)度的影響因素及各因素影響程度,得到改良土最佳配合比以及紅砂巖改良土抗剪強(qiáng)度回歸模型。陳國慶等[6]對(duì)高海拔地區(qū)巖體在凍融作用及含水狀態(tài)下的劣化特征及長期穩(wěn)定性進(jìn)行研究,揭示了凍融循環(huán)及含水率對(duì)紅砂巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)及蠕變特性的影響機(jī)制,據(jù)此構(gòu)建了剪切蠕變模型。管曉軍[7]以浩吉鐵路陽城隧道為依托,基于室內(nèi)基本力學(xué)試驗(yàn)對(duì)穿越古沖溝黃土地層、土砂分界地層、全風(fēng)化紅砂巖地層的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力特性進(jìn)行初步探究發(fā)現(xiàn),土砂分界地層的洞周位移復(fù)雜多變,全風(fēng)化紅砂巖地層拱腳處以及土砂分界地層分界面處初期支護(hù)會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力,在土砂分界地層中分界面上部初期支護(hù)最小主應(yīng)力大于其他部位,而分界面處的最大主應(yīng)力略大于拱腳處。

        目前的研究主要集中于軟巖隧道大變形機(jī)理及其控制措施[8-12],紅砂巖隧道受力特征以及紅砂巖巖體特性,但是對(duì)于全風(fēng)化紅砂巖地層圍巖自身物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)隧道變形影響的研究還存在不足。本文以浩吉鐵路陽城隧道全風(fēng)化紅砂巖地層為依托研究開挖后隧道變形規(guī)律,通過設(shè)計(jì)不同正交工況和數(shù)值模擬得到圍巖力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)及隧道埋深對(duì)隧道變形的影響水平,并進(jìn)行多元非線性擬合得到全風(fēng)化紅砂巖地層隧道拱頂沉降預(yù)測(cè)公式,利于及時(shí)加強(qiáng)支護(hù),保證施工順利進(jìn)行。

        1 工程概況

        浩吉鐵路為國家“北煤南運(yùn)”新的戰(zhàn)略大通道,全長1 813.5 km。陽城隧道是浩吉鐵路的關(guān)鍵性控制工程之一,位于陜西省榆林市靖邊縣龍洲鄉(xiāng)雙城村附近,起訖里程為DK242+041—DK249+134,隧道全長7 108.25 m,最大埋深207 m,洞跨11.34 m,高11.24 m。采用三臺(tái)階開挖工法,上臺(tái)階為4 m,中臺(tái)階6 m,下臺(tái)階12 m,臺(tái)階高度分別為3.0、3.2、2.5 m。仰拱開挖長度為12 m時(shí)進(jìn)行仰拱回填并施作二次襯砌。

        陽城隧道沿線地質(zhì)條件復(fù)雜,受黃土高原水流向源侵蝕,古沖溝發(fā)育,呈現(xiàn)典型的黃土高原侵蝕性梁昴溝谷地貌類型,地表有少量植被覆蓋。地形高差在100~200 m,斜坡自然坡度25°~85°。隧址區(qū)地層主要包括紅砂巖地層、土石分界地層及土砂互層地層,圍巖級(jí)別為V級(jí)和VI級(jí)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及工程資料,隧址區(qū)全風(fēng)化紅砂巖分布廣泛,圍巖強(qiáng)度較低,自穩(wěn)能力差,隧道容易產(chǎn)生大變形及塌落等病害,給隧道的施工帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。

        2 計(jì)算模型

        2.1 模型建立

        為探究不同折減系數(shù)下的隧道變形特征,采用有限差分軟件FLAC 3D進(jìn)行建模計(jì)算。根據(jù)彈性力學(xué)中的圣維南原理,為有效避免邊界效應(yīng)的影響,隧道外側(cè)至模型邊界的距離要滿足3倍隧道洞跨的下限要求,因此數(shù)值模型尺寸選取90 m(長)×100 m(寬)。對(duì)模型兩側(cè)施加橫向約束,底面施加豎向約束,模型上部施加荷載以模擬不同埋深。地層采用彈塑性模型,服從Mohr?Coulomb屈服準(zhǔn)則,隧道結(jié)構(gòu)采用彈性模型。

        2.2 計(jì)算參數(shù)

        為研究全風(fēng)化紅砂巖的工程特性,根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)完成對(duì)不同標(biāo)段原狀土相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)定,并根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料確定圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù),見表1。

        表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

        本次試驗(yàn)研究四項(xiàng)因素,分別為埋深、壓縮模量、黏聚力及內(nèi)摩擦角。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及工程設(shè)計(jì)資料,確定各因素取值范圍,見表2。正交試驗(yàn)每個(gè)因素設(shè)置5個(gè)水平,見表3。

        表2 各因素取值范圍

        表3 正交試驗(yàn)各因素水平

        2.3 安全系數(shù)的計(jì)算方法

        強(qiáng)度折減法通過不斷降低地層的安全系數(shù)F,將折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c(土的黏聚力)和φ(土的內(nèi)摩擦角)代入模型進(jìn)行重復(fù)計(jì)算,直到模型達(dá)到極限發(fā)生破壞,從而得到隧道的安全系數(shù)。具體折減方法為

        式中:cF為折減后的土體黏聚力;Fs為折減系數(shù);φF為折減后土體的內(nèi)摩擦角;τfF為折減后土體的抗剪強(qiáng)度。

        折減系數(shù)Fs的初始值須足夠小,以保證開始時(shí)是一個(gè)近似于彈性的問題。然后不斷增加Fs,折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)逐步減小,直到某一個(gè)折減抗剪強(qiáng)度下隧道變形發(fā)生突變,說明隧道發(fā)生失穩(wěn)。

        取無支護(hù)時(shí)應(yīng)力釋放率為30%,初期支護(hù)承擔(dān)70%的應(yīng)力釋放。格柵鋼架和噴射混凝土在計(jì)算模型中采用等效剛度進(jìn)行計(jì)算,具體計(jì)算公式為

        式中:E為噴射混凝土折算后的彈性模量;E0為原噴射混凝土的彈性模量;Sg為格柵鋼架的鋼筋截面積;Eg為格柵鋼架的彈性模量;Sc為噴射混凝土截面積。

        3 計(jì)算結(jié)果與分析

        3.1 折減系數(shù)對(duì)變形的影響

        運(yùn)用FLAC 3D進(jìn)行計(jì)算,得到在不同折減系數(shù)下隧道開挖穩(wěn)定后各測(cè)點(diǎn)變形,見圖1??芍?,開挖后不斷折減隧道剪切強(qiáng)度的過程中,拱頂沉降始終最大,因此以拱頂沉降的變化作為圍巖失穩(wěn)的判據(jù)。

        圖1 隧道各測(cè)點(diǎn)變形量隨折減系數(shù)的變化

        由于全風(fēng)化紅砂巖難以自穩(wěn),數(shù)值模擬前將地層參數(shù)放大10倍,實(shí)際折減系數(shù)應(yīng)在所得折減系數(shù)基礎(chǔ)上除以10。故當(dāng)實(shí)際折減系數(shù)為2.72時(shí),拱頂沉降發(fā)生突變,其值由0.15 m突變?yōu)?.29 m,隧道發(fā)生破壞。在施加初期支護(hù)和二次襯砌的條件下,全風(fēng)化紅砂巖地層隧道開挖后拱頂測(cè)點(diǎn)相較于隧道其他測(cè)點(diǎn)變形更為顯著,因此探究埋深及圍巖各基本物理力學(xué)參數(shù)對(duì)拱頂沉降的影響極為重要。

        3.2 各影響因素對(duì)拱頂沉降的影響

        正交試驗(yàn)結(jié)果見表4。

        表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

        采用極差分析法和方差分析法研究四個(gè)因素對(duì)拱頂沉降的影響規(guī)律,并評(píng)判其顯著性。

        3.2.1 極差分析

        極差分析中一般用Ki表示任一列因素水平為i(i=1,2,3,4,5)時(shí)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和;ki表示任一列因素水平為i時(shí)試驗(yàn)指標(biāo)的平均值;R表示任一列因素各水平對(duì)應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)Ti的最大值與最小值之差。R值反映了各列因素的水平變動(dòng)對(duì)應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度,R值越大說明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大,因此也更重要。由Ti的大小可以判斷因素的優(yōu)水平,本文的試驗(yàn)指標(biāo)為拱頂沉降,故選取Ti的最小值判斷因素的優(yōu)水平。

        拱頂沉降的極差分析結(jié)果見表5。可知,陽城隧道全風(fēng)化紅砂巖地層下,影響拱頂沉降的主次因素順序?yàn)槁裆?、?nèi)摩擦角、壓縮模量、黏聚力。

        表5 拱頂沉降極差分析結(jié)果

        計(jì)算拱頂沉降與埋深、壓縮模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角之間的相關(guān)系數(shù),分別為0.988 75、0.999 87、0.948 54、0.985 81。查閱相關(guān)系數(shù)臨界值表可知,顯著性水平α=0.01對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)臨界值為0.917。拱頂沉降與四個(gè)因素之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.917,均為顯著相關(guān)。

        通過Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到拱頂沉降曲線,見圖2。

        圖2 拱頂沉降與各影響因素的擬合曲線

        由圖2可知:

        ①拱頂沉降S與埋深H呈線性關(guān)系

        隨著埋深逐漸增大,隧道圍巖壓力不斷增大,從而導(dǎo)致拱頂沉降不斷增大。

        ②拱頂沉降與壓縮模量Es呈四次曲線關(guān)系

        隨著壓縮模量不斷增大,土體的自身承載力相對(duì)增大,傳遞至支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力減小,拱頂沉降因此減小。

        ③拱頂沉降與黏聚力呈三次函數(shù)關(guān)系

        ④拱頂沉降與內(nèi)摩擦角呈線性關(guān)系

        當(dāng)內(nèi)摩擦角較小時(shí),土顆粒的表面摩擦力以及顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力相對(duì)較小,隧道上部土體無法及時(shí)形成塌落拱,導(dǎo)致拱頂沉降進(jìn)一步發(fā)展。

        極差分析能夠簡單直觀地分析各影響因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度,但不能區(qū)分因素各水平間對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果的差異是由因素水平的不同引起的,還是由試驗(yàn)誤差所引起的,因此無法得知試驗(yàn)精度。同時(shí)極差分析無法精確估計(jì)各影響因素的重要程度。

        3.2.2 方差分析

        為了彌補(bǔ)極差分析的不足,對(duì)拱頂沉降采用方差分析,結(jié)果見表6??芍孩偎膫€(gè)因素對(duì)拱頂沉降影響的主次順序?yàn)槁裆?、?nèi)摩擦角、壓縮模量、黏聚力。②埋深、壓縮模量及內(nèi)摩擦角對(duì)拱頂沉降的影響顯著,黏聚力對(duì)拱頂沉降的影響不顯著。

        表6 拱頂沉降方差分析結(jié)果

        4 回歸模型建立和檢驗(yàn)

        4.1 回歸模型的建立

        為了更好地預(yù)測(cè)隧道拱頂沉降的發(fā)展情況,為工程施工提供參考依據(jù),利用MATLAB進(jìn)行多元非線性回歸分析,得到拱頂沉降關(guān)于埋深、壓縮模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角的回歸方程

        擬合相關(guān)系數(shù)約為0.978,大于臨界值0.917,說明假設(shè)成立,回歸方程具有高度可靠性。

        4.2 回歸模型驗(yàn)證

        為了保證回歸模型對(duì)于預(yù)測(cè)隧道拱頂沉降具有高度可靠性,將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與回歸方程計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,見圖3。可知,計(jì)算值與試驗(yàn)值高度相似,平均誤差在1.86%。

        圖3 拱頂沉降計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

        定義誤差比為

        試驗(yàn)誤差比值分布見圖4??芍?,誤差比均分布在0.1左右。結(jié)合擬合相關(guān)系數(shù),說明回歸方程對(duì)于拱頂沉降預(yù)測(cè)具有高度可靠性。

        圖4 拱頂沉降計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差比分布

        5 結(jié)論

        本文以浩吉鐵路陽城隧道為依托,基于正交試驗(yàn)的數(shù)值模擬對(duì)埋深以及圍巖基本物理力學(xué)參數(shù)對(duì)全風(fēng)化紅砂巖隧道拱頂沉降的影響進(jìn)行了分析。得到如下結(jié)論:

        1)基于強(qiáng)度折減法利用FLAC 3D進(jìn)行數(shù)值模擬,可知全風(fēng)化紅砂巖隧道在開挖后拱頂沉降相較于其他測(cè)點(diǎn)的變形量更顯著。

        2)采用極差分析法得到拱頂沉降隨各影響因素的變化趨勢(shì),利用Origin一元回歸線性擬合模塊得到各因素作用下拱頂沉降擬合公式。拱頂沉降隨埋深增大而增大,隨壓縮模量增大而減小,隨內(nèi)摩擦角增大而不斷減小。拱頂沉降與埋深及內(nèi)摩擦角成良好的線性關(guān)系。

        3)采用方差分析法得到埋深、壓縮模量、黏聚力以及內(nèi)摩擦角對(duì)隧道拱頂沉降的影響次序及其顯著性水平。埋深、壓縮模量以及內(nèi)摩擦角對(duì)拱頂沉降的影響非常顯著?;陉柍撬淼兰t砂巖地層下,各影響因素對(duì)拱頂沉降影響的主次順序是埋深、內(nèi)摩擦角、壓縮模量、黏聚力。

        4)利用MATLAB對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性回歸分析,得到預(yù)測(cè)隧道拱頂沉降的方程,并將計(jì)算值和試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,證明回歸方程具有高度的可靠性。

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