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隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水机制三维流–固耦合模型试验研究

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岩石力学与工程学报 2015年第9期34卷 1739-1749页

作者：周毅李术才李利平石少帅张乾青陈迪杨宋曙光山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

为研究岩溶地区隧道开挖过程中,充填型岩溶管道受施工扰动和地下水渗流作用发生失稳突水的机制,以湖北省保康—宜昌高速公路尚家湾隧道突涌水段为工程背景,通过大型三维可视化固–液耦合试验平台、水压加载控制系统以及水压环境下有较... 详细信息

为研究岩溶地区隧道开挖过程中,充填型岩溶管道受施工扰动和地下水渗流作用发生失稳突水的机制,以湖北省保康—宜昌高速公路尚家湾隧道突涌水段为工程背景,通过大型三维可视化固–液耦合试验平台、水压加载控制系统以及水压环境下有较好相似度的流–固耦合岩石和充填物相似材料的研制,开展深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水的大比尺三维流–固耦合模型试验,真实再现隧道开挖和水压加载过程中,岩溶管道充填物中裂隙形成→扩展→导水通道贯通→突水的全过程,通过位移、应力和渗压变化规律的分析,揭示充填物渗透失稳突水过程的灾变演化机制。试验结果表明:(1)施工过程中充填型岩溶管道突水是开挖扰动和高地下水位高渗透力作用诱发充填物渗透失稳的结果;(2)充填物受开挖扰动影响比围岩更明显,变形量比围岩大20%~25%,应力释放率比围岩高30%;水压加载阶段,水头高度升高到6.0 m时,充填物位移突增50%,渗压下降速率达0.6k Pa/min,达到失稳临界状态;(3)岩溶管道突水受其发育形态影响比较明显,其弯曲角度较大的部位是阻碍上部水和充填物突出的主要屏障;(4)充填型岩溶管道渗透失稳突水的灾变演化过程经历4个阶段:形成离散的微小裂隙、裂隙连通形成导水通道、在渗流作用下导水通道扩展延伸、导水通道贯通形成突水路径,其中前2个阶段主要受开挖扰动影响,后2个阶段与高水位高水压的渗流作用密切相关。试验成果对突涌水机制的研究和工程中突涌水灾害的防治具有一定的指导意义。

关键词：隧道工程深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳灾变演化机制流–固耦合模型试验

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穿越无充填溶洞时单桩承载特性研究

湖南大学学报（自然科学版） 2022年第7期49卷 186-196页

作者：张乾青乔胜石邢宇铖张凯崔伟王志远陈迪杨山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 山东大学(齐河)新材料与智能装备研究院山东德州251114 山东省路桥集团有限公司山东济南250014 山东大学齐鲁交通学院山东济南250002

为解决穿越溶洞型单桩的设计难题,研究了穿越无充填溶洞时单桩的承载特性.基于现场物探和室内试验结果明确了溶洞的发育情况和岩土体的物理力学参数,采用有限元软件建立了14组数值计算模型,分别对不同溶洞半径、不同溶洞位置及不同桩径... 详细信息

为解决穿越溶洞型单桩的设计难题,研究了穿越无充填溶洞时单桩的承载特性.基于现场物探和室内试验结果明确了溶洞的发育情况和岩土体的物理力学参数,采用有限元软件建立了14组数值计算模型,分别对不同溶洞半径、不同溶洞位置及不同桩径的工况进行了模拟,确定了BoxLucas1荷载传递模型的适用性,提出了穿越无充填溶洞单桩的承载特性计算方法.研究结果表明,桩径增加和溶洞充填时溶洞对单桩承载力的影响将得到削弱,溶洞的半径和位置对桩基承载力具有显著影响.实际工程中应重视前期物探对溶洞发育情况的准确探查,降低溶洞对桩基承载力的影响.相关研究成果可为岩溶区单桩参数设计和承载力预测提供理论依据.

关键词：岩溶区物探方法穿越溶洞型单桩承载特性数值模拟

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上跨地铁区间环隧匝道施工稳定性控制研究

公路交通科技 2021年第12期38卷 100-109页

作者：张建军陈浩韩会云陈迪杨西咸新区丝路经济带能源金融贸易区管理办公室陕西西安710000 华设设计集团股份有限公司江苏南京210004 山东轨道交通勘察设计院有限公司山东济南250101 山东大学山东济南250061

为研究地下环隧匝道基坑开挖对下方地铁隧道结构影响,有效控制地下工程施工过程中基坑开挖变形、下方地铁隧道结构变形,利用MIDAS/GTS NX软件建立了上跨地铁区间环隧匝道三维模型。通过模拟基坑开挖过程,得到了基坑变形、下方地铁隧道... 详细信息

为研究地下环隧匝道基坑开挖对下方地铁隧道结构影响,有效控制地下工程施工过程中基坑开挖变形、下方地铁隧道结构变形,利用MIDAS/GTS NX软件建立了上跨地铁区间环隧匝道三维模型。通过模拟基坑开挖过程,得到了基坑变形、下方地铁隧道围岩变形和受力等变化规律,并分析了基坑开挖诱发地铁衬砌结构内力变化特征。结果表明:地下环隧匝道基坑开挖诱发了匝道底部以及地铁隧道周边围岩与衬砌结构变形;在地下环隧匝道基坑开挖过程中,卸荷作用导致了匝道底部一定范围内地层产生回弹变形,具体表现为基底土体上浮;基坑施工引起盾构隧道区间拱顶土体上浮,左线最大上浮约2.3 mm,右线最大上浮约2.2 mm;基坑开挖后,地铁结构的内力发生变化,但整体变形较小。通过盾构段配筋完全性计算分析,发现基坑开挖后衬砌支护满足控制标准,可为结构设计安全性评估提供依据。最后,针对上跨地铁区间环隧匝道施工稳定性控制,提出了基坑施工须严格遵循分层、分块、分区的原则,以及动态设计、加强监测、快施工、弱扰动的地铁保护措施与建议。

关键词：隧道工程稳定性控制数值模拟地铁隧道基坑开挖结构变形

基于冲击回波法的盾构隧道壁后注浆质量检测研究

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东南大学学报(自然科学版) 2024年

作者：陈迪杨李利平王旌巴兴之房忠栋张延欢山东大学齐鲁交通学院山东大学土建与水利学院山东大学(齐河)新材料与智能装备研究院

为了提高盾构隧道壁后注浆质量，开展了基于冲击回波法的盾构隧道壁后注浆质量检测的研究。基于冲击回波法提出了壁后注浆状态的检测方法及壁后注浆层厚度的修正公式。考虑壁后注浆的凝固特性及纵波在管片-壁后注浆层界面传播规律，提... 详细信息

为了提高盾构隧道壁后注浆质量，开展了基于冲击回波法的盾构隧道壁后注浆质量检测的研究。基于冲击回波法提出了壁后注浆状态的检测方法及壁后注浆层厚度的修正公式。考虑壁后注浆的凝固特性及纵波在管片-壁后注浆层界面传播规律，提出了壁后注浆的最佳检测时机和不同地层条件下的检测方案。通过模型试验和现场试验验证了该方法的可行性及准确性。结果表明，随着浆液强度的增加，纵波在管片-壁后注浆层界面主要转换为透射纵波。随着凝结时间增大至570 min，解译的壁后注浆层厚度值趋于稳定，计算精度和准确率分别为厘米级和95%。结合不同地层的推进效率，确定了最优检测时机为注浆后的10～14环。该研究成果可为盾构隧道壁后注浆质量快速精准检测提供理论依据与技术支撑。

关键词：盾构隧道壁后注浆冲击回波法质量检测注浆厚度工程应用

基于渗率效应的可压缩智能同步注浆材料扩散机理研究

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同济大学学报(自然科学版) 2023年第9期51卷 1324-1333页

作者：李利平曹阳阳丁传逵张益杰张旭张延欢陈迪杨宋增亮山东大学齐鲁交通学院山东大学岩土工程中心中铁十四局集团有限公司

目前同步注浆材料采用水泥砂浆作为注浆材料，注浆和固结过程中浆液在土体中渗透，导致浆液体积减少，若后续注浆不及时，极易造成盾尾间隙注浆不密实。而轻质智能同步注浆材料含气泡，其具有压缩“弹性”，随着浆体的固结卸荷，虽然有... 详细信息

目前同步注浆材料采用水泥砂浆作为注浆材料，注浆和固结过程中浆液在土体中渗透，导致浆液体积减少，若后续注浆不及时，极易造成盾尾间隙注浆不密实。而轻质智能同步注浆材料含气泡，其具有压缩“弹性”，随着浆体的固结卸荷，虽然有部分浆体扩散，但浆体在盾尾间隙中体积保持不变，保证了同步注浆密实度。研究了轻质智能同步注浆材料密度与压力的映射关系，建立了轻质智能同步注浆材料压缩理论模型。定性分析了轻质智能同步注浆材料高密实度注浆原理。针对轻质智能同步注浆材料成分特征，建立了基于渗滤效应的可压缩智能同步注浆材料的固结扩散机理。研究表明：可压缩同步注浆材料随着压力增大，浆液体积逐渐减小，通过实验验证，轻质材料压力-密度曲线可变参数与气泡含量具有较强的相关性。地层渗透系数对浆体固结扩散距离具有显著影响，地层渗透系数越大，轻质智能同步注浆材料固结扩散距离受土体力学性质影响越显著。

关键词：轻质可压缩智能同步注材料扩散-固结机理

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锚杆加固作用下椭圆形深埋隧洞承载力分析

山东大学学报（工学版） 2024年第1期54卷 131-140页

作者：郝艳广徐建升明道贵雷霆邱明喜陈迪杨中交二航局建筑科技有限公司湖北武汉430050 山东科技大学土木工程与建筑学院山东青岛266590 山东大学(齐河)新材料与智能装备研究院山东德州251100

考虑施工过程中大跨度开挖、锚杆的影响等现场实际情况,分别研究椭圆形隧洞承载能力锚杆长度、锚杆数量、锚杆预应力、侧压力系数以及塑性区范围的变化规律。基于平面弹性复变函数的方法,得到围岩任意一点的应力分量表达式,结合摩尔-库... 详细信息

考虑施工过程中大跨度开挖、锚杆的影响等现场实际情况,分别研究椭圆形隧洞承载能力锚杆长度、锚杆数量、锚杆预应力、侧压力系数以及塑性区范围的变化规律。基于平面弹性复变函数的方法,得到围岩任意一点的应力分量表达式,结合摩尔-库伦(Mohr-Coulomb,MC)准则,分别得到剪判据和拉判据下的拱部承载力,讨论开挖半径以及锚杆各参数对于承载力的影响,分析不同参数对孔边应力的影响,孔边应力对形状参数更敏感,会直接影响承载力。利用3DEC软件验证了理论模型的正确性。

关键词：隧道工程椭圆形隧洞复变理论承载力分析预应力锚杆

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

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岩土工程学报 2015年第7期37卷 1232-1240页

作者：周毅李术才李利平张乾青石少帅宋曙光王康陈迪杨孙尚渠山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

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... 详细信息

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。

关键词：地下工程流–固耦合模型试验技术充填型岩溶管道突水

应力-渗流耦合三轴渗透试验系统研制及其在充填介质渗透特性试验中的应用

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岩土力学 2017年第10期38卷 3053-3061页

作者：李利平柳尚李术才石少帅陈迪杨周毅林鹏王健华刘聪山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室广东广州510640 山东大学新材料与智能装备研究院山东德州251100

为研究充填介质在赋存条件下的渗透、力学特性及其破坏机制,改进研制了大比尺三轴应力-渗流耦合试验系统,开发了三维应力-渗流耦合压力室,进行了完善的密封和加载系统设计。系统具备自动化轴压加载、围压渗压加载、涌水涌砂量采集和多... 详细信息

为研究充填介质在赋存条件下的渗透、力学特性及其破坏机制,改进研制了大比尺三轴应力-渗流耦合试验系统,开发了三维应力-渗流耦合压力室,进行了完善的密封和加载系统设计。系统具备自动化轴压加载、围压渗压加载、涌水涌砂量采集和多元信息并行监测等功能,该套装置可针对大尺寸、不同规格岩溶管道和裂隙还原其在原始地应力状态下进行渗透性及相关力学试验研究。围压、渗压值可分别加到2 MPa和5 MPa,轴向荷载最大可加到300 kN。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的应用,实现了水环境下试件内部渗压、应变的精确采集和分析。在试验系统的基础上,开展了赋存环境下充填介质渗透特性试验研究,分析了充填介质类型、渗流路径、管道断面形状及应力条件4种因素对渗透特性的影响及充填介质的响应特征,揭示了充填体稳定性和渗透性的变化规律。该装置解决了小水力梯度及赋存条件下的充填介质渗透特性和力学性质试验研究技术难题,具有重要意义。

关键词：充填型岩溶管道充填介质渗流特性试验系统

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山岭隧道溶洞处治技术

公路工程 2016年第2期41卷 72-74,112页

作者：王者鹏陈迪杨叶志华孙柏林张健山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛266590 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400039 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 湖北省保康至宜昌高速公路建设指挥部湖北宜昌444200 山东农业大学勘察设计研究院山东泰安271018

某山岭隧道施工中揭露纵向长14 m、横向宽24 m、高7 m的大型半充填溶洞,根据溶洞工程地质条件及隧道工程修建技术特点,在探明溶洞的基础上,严格遵循以疏为主,堵排结合,因地制宜,综合治理的原则,选择合理科学的溶洞处理方法,根据岩溶溶... 详细信息

某山岭隧道施工中揭露纵向长14 m、横向宽24 m、高7 m的大型半充填溶洞,根据溶洞工程地质条件及隧道工程修建技术特点,在探明溶洞的基础上,严格遵循以疏为主,堵排结合,因地制宜,综合治理的原则,选择合理科学的溶洞处理方法,根据岩溶溶洞的发育规模及特征,采用溶腔揭示后的施工处理技术,降低和排除岩溶隧道溶洞的施工风险,确保了施工安全和工期,在工程实践取得的效果较好,可为相似工程提供参考。

关键词：岩溶隧道半充填溶洞突水涌泥治理技术