层状岩体隧道变形特征数值模拟研究

为研究层状岩体的层厚与倾角对隧道及围岩稳定性的影响,以贵州省栗木山隧道为背景,采用有限元软件ANSYS分析了层状白云质灰岩地层隧道开挖后的围岩与支护结构受力变形特征,得到了不同岩层厚度和结构面倾角时围岩和衬砌的位移云图、关键节点的位移。研究结果表明,隧道拱部竖向位移呈"V"型分布,最大竖向位移出现在隧道拱顶,最大竖向位移随岩层厚度增大而减小,存在明显的临界厚度,当岩层厚度大于0.6m,减小趋势变缓;倾斜岩层隧道围岩与衬砌位移存在明显的非对称性,岩层倾向侧位移小于另一侧,非对称性随倾角增大先增大后减小,倾角45°时最为明显,倾角大于60°时逐渐趋于平稳;拱脚和墙帮的位移受倾角变化小。层状岩体隧道支护设计、施工时应避免拱顶和非对称变形过大造成事故。     

陡倾角层状岩体中地下洞室围岩的变形

考虑到层状岩体顺层滑移和弯曲变形的特点,将Cosserat介质理论引入到大型地下洞室的开挖模拟中,基于Matlab编制了考虑偶应力的有限元程序,并对一个简单地下洞室模型进行模拟分析。结果表明:洞周围岩的变形随层面间距的增大而减小,洞室变形的不对称性在层面间距越小的情况下越明显;大型洞室高边墙的位移随层面倾角先增大后减小,反倾向一侧的位移在倾角为60°达到最大,而顺倾向侧边墙在30°达到最大;在洞室的同一高度处,当岩层倾角缓时顺倾向侧洞周位移要大于反倾向侧的位移,而当倾角变陡后,顺倾向侧洞周位移要小于反倾向侧的位移;层面的切向刚度对洞周位移影响很大,洞周位移随切向刚度系数的减小而迅速增大,但切向刚度系数减小到一定程度后将趋于稳定。数值模拟表明用Cosserat介质来模拟层状岩体是合适而且方便的。     

渗流效应对基于广义非线性屈服准则洞室弹塑性解的影响

考虑渗流效应,基于广义Hoek-Brown非线性屈服准则,推导出圆形洞室围岩塑性区半径、洞壁径向位移和洞室周边径向应力的数值解.绘制在考虑渗流的情况下和基于广义Hoek-Brown屈服准则的不同围岩条件下,圆形洞室内外水头差h与R/e(R为塑性区半径,e为洞室半径)的关系曲线、围岩特性曲线和径向应力的分布曲线.研究结果表明:在水头差相同时,位于较差围岩中洞室的塑性区比位于较好围岩中洞室的塑性区发展快;在支护力相同时,支护结构对处于较差围岩中的圆形洞室洞壁位移约束效果较差;在围岩质量较差时,渗流效应对圆形洞室径向应力的影响比围岩质量较好时的影响大.     

不同地应力特征下超大跨扁平地下洞室水平地震响应分析

超大跨扁平地下洞室建设难度大、力学作用复杂,其地震响应研究目前尚处于探索阶段。为揭示超大跨地下洞室地震响应机理,依托国内某超大跨扁平洞室工程,采用动力时程法进行不同侧压力系数的洞室塑性区、Mises应力及位移的水平向地震响应分析,结果表明:地震作用下,围岩塑性区及塑性应变最大值均显著增加;静水压力条件下,围岩静力及地震围岩塑性应变均为最小;侧压力系数λ< 1时,洞室拱顶、底板中、拱脚及侧墙底部Mises应力均增加,且拱顶、底板中应力增长幅度小于拱脚及侧墙底部应力增长幅度;侧压力系数λ≥1时,水平向地震作用下洞室拱顶、底板中与静力工况相比应力基本无变化;随着侧压力系数的增加,洞室拱顶底板中水平相对位移逐渐减小,当侧压力系数λ≥1时,水平相对位移基本保持稳定。     

板连式斜直组合微型桩加固边坡工作性状数值分析

为对斜直组合微型桩加固边坡中微型桩的工作性状进行研究,采用FLAC^3D数值模拟软件对斜直组合微型桩进行三维数值模拟,研究斜桩倾角对组合结构的力学响应及其对边坡加固效果的影响。结果表明：在相同条件下,随着桩身倾角的增大,桩身变形及桩身水平位移呈现先增大后减小再增大的变化趋势。当桩身倾角为10°和20°时,桩身变形(水平位移)分别达到最大值和最小值。同时,各桩桩身水平位移最大值出现的位置(距桩顶的距离)随着桩身倾角的增大而逐渐增大。总体而言,随着桩身倾角的增大,边坡潜在滑面由浅变深。不同桩身倾角组合结构加固下边坡的塑性区分布范围不同,当桩身倾角为20°时,发生剪切破坏的塑性区单元分布范围较小。为较好发挥斜直微型桩组合结构加固边坡效果,建议将组合结构中前排与后排的桩身倾角设置为15°～20°为宜。     

不同侧压系数下各向异性巷道围岩破坏模式研究

针对各向异性初始应力状态(不同的侧压力系数下)的岩体巷道开挖问题,利用复合材料的Hoffman强度准则考察各向异性对巷道周围应力、位移和塑性破坏区的影响.结果表明:巷道围岩的最大主应力与侧压系数无关,当θ=30°~60°时为最大,θ=0°,90°时为最小.随θ的增加,巷道围岩的水平位移增加,垂直位移减小.在各向异性岩体中强度较大的方向与最大应力方向一致时,破坏发生在此方向,塑性破坏区的范围为最大.     

缓倾斜液化场地地铁车站结构变形分析

为了研究缓倾斜液化场地对地基土-地铁车站结构地震反应的影响,探讨缓倾斜液化场地液化过程中地下结构的位移变形,采用有限差分软件FLAC3D建立缓倾斜液化场地地基土-地铁车站结构的数值分析模型,采用本构模型Finn对所建立的模型进行地震液化分析;通过分析地铁车站结构周围场地液化分布特征、位移云图和地面倾角分别为0°、 1°、 2°、 3°的4种工况下地铁车站的位移时程曲线,探讨地面倾角对周围场地、地铁车站结构的影响,分析4种工况下缓倾斜液化场地中地铁车站结构的位移地震响应。结果表明：在4种工况下,车站周围液化严重,液化分布基本呈对称分布,右侧底部液化程度随地面倾角的增大而增大;车站发生不均匀上浮并且发生逆时针偏转,底板左右两侧最大上浮差值达到6.2 mm;随着地面倾角的增大,土体出现流滑现象,当地面倾角为3°时,土体流滑位移达到1.6 m,并且车站结构发生33 mm的侧向位移;车站层间位移角随着地面倾角的增大而增加,当地面倾角为3°时,层间位移角超过规范限值。     

圆形地下洞室坚硬脆性围岩岩爆的模拟

为了探讨圆形地下洞室坚硬脆性围岩岩爆破坏机理,建立了长800mm&#215;宽800mm&#215;厚200mm的Ф160mm圆形地下洞室的数值与物理模型,在相同边界条件与同步提高荷载的情况下模拟圆形洞室坚硬脆性围岩岩爆破坏.数值模拟与物理模拟结果表明：同步施加水平边界荷载Ph与垂直边界荷载Pv到700kN过程中,围岩塑性区逐步沟通扩展;当同步施加Ph=Pv=710kN时,围岩塑性区在极短的时间与极窄的加载区间内迅速扩展,塑性变形显著,洞室围岩表现突发性破坏,符合脆性围岩岩爆破坏特征;随后,当施加Ph=Pv=710kN到Ph=Pv=780kN过程中,围岩塑性区增大不明显,围岩破坏相对稳定.数值模拟结果与物理模拟结果基本一致,两者结合,将为探讨岩爆发生机理提供强有力的研究手段.     

层状岩体中地下厂房围岩施工力学行为研究

对缓倾角层状岩体中的大型地下厂房施工力学行为进行了综合研究.详细分析了开挖过程中主厂房围岩不同部位(包括顶拱、上下游边墙)的现场监测资料,并借助基于非连续介质理论的离散元程序UDEC,综合分析了围岩的变形特征、剪位移分布、围岩应力分布、塑性区分布和锚杆轴力分布等岩体力学行为.结果表明,结构面(如软弱夹层、层面和节理裂隙等)是控制围岩变形的主要因素,软弱夹层的存在控制了围岩剪位移、应力和塑性区的分布,是导致锚杆轴力增大的主要因素,实时监测资料和理论计算成果吻合良好.     

断续节理倾角对围岩变形破坏影响的数值分析

断续节理的存在使围岩的稳定性、变形特征和应力分布更加复杂。基于颗粒流强度折减法,用PFC~(2D)分析不同倾角断续节理围岩的应力分布、变形特征及破坏模式。结果表明:随着节理倾角的增加,洞周应力集中的位置从倾角为0°时在洞左上、右下角逐渐逆时针旋转至倾角为90°时在洞两侧,同时节理间的应力分布从集中在对角线上逐渐变成均匀分布于整个岩块上,应力分布的不同最终导致围岩的破坏不同;节理与洞壁相交处位移较大,左右边墙中点位移受到断续节理倾角的影响远大于拱顶底中点位移受到的影响;断续节理倾角较小时,围岩损伤的范围更大且损伤更严重。为进一步了解在断续节理岩体中开挖洞室后围岩的破坏机理及采取相应的支护措施提供一定的指导。     

具有不同倾角层状结构面岩体中隧道稳定性数值分析

通过引入细观层次的微元体,采用损伤力学和统计理论的单元本构模型,利用岩石破裂过程分析软件RFPA(realisticfailureprocessanalysis),对具有不同倾角层状软弱结构面岩体中隧道的变形破坏特征、隧道周边关键部位的位移进行了分析·结果表明,层状结构面倾角大小对围岩的破坏失稳模式有显著的影响·随结构面倾角的增大,隧道周边应力分布的非对称性逐渐增强,从而造成了破坏模式的非对称性·结构面倾角增大对边墙的受力有不利影响·这对于进一步深入理解具有软弱结构面中隧道破坏失稳机理并采取有效的加固措施等具有理论和实践意义·     

顾及沉积岩应变强化与扩容效应的围岩弹塑性力学状态理论分析

根据非关联流动法则与中主应力表达式,顾及沉积岩应变强化和扩容效应,推导基于幂强化-理想塑性本构模型和Drucker-Prager屈服准则的应力、位移、塑性区半径的解析解.将文中解、幂强化解、幂强化-理想塑性解进行比较,分析幂强化指数与扩容角对解析解的影响规律.结果表明:幂强化指数对围岩稳定性有较大的影响;扩容程度的变化对围岩应力和位移的影响随着扩容角及原岩应力的增加而增大;当隧洞围岩受到应变强化和扩容效应共同影响时,幂强化指数与扩容角越大,隧洞围岩位移越为敏感,对围岩稳定十分不利.     

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛典型特征与规律

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛特征与规律对其稳定性评价与灾害防治具有重要意义。基于地下水封洞库工程特征与典型洞库工程实例,整理分析了大量洞室围岩内部变形、表层变形、波速与锚杆应力等监测数据。结果表明：预埋的多点位移计测点位移主要为0.5-3mm,收敛位移监测值主要为4-8mm,拱顶沉降监测值主要为3-6mm,围岩时效变形不明显;围岩变形与爆破开挖有关,当掌子面或后续台阶开挖面接近监测断面时,变形出现陡增;围岩质量越差,开挖面空间效应越不明显;基于典型围岩特征曲线经验公式,结合预埋的多点位移计监测数据与数值模拟,提出了地下水封洞库洞室围岩损失位移确定方法,发现损失位移占最终收敛位移50%-60%;基于波速变化率提出围岩松弛程度评价指标,发现围岩最大松弛程度约为0.47,松弛深度为1.5m;洞室围岩锚杆受力普遍较小,锚杆拉应力与围岩变形基本同步变化。     

脉动热管的传热极限特性

以蒸馏水和丙酮为工质,对多种工况下脉动热管的传热极限进行了实验研究．在分析脉动热管加热段和冷却段温度变化的基础上,归纳出了整体干涸型和局部干涠型2种传热极限的表现形式;分析了其产生机理：干涸导致传热极限的产生,再湿润引起传热极限表现形式不同．研究还发现,传热极限随着倾角、充液率的增加而增大;在倾角为0°时,热管工质为水时的传热极限低于工质为丙酮时的传热极限,在60°时,前者的传热极限却高于后者．     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩弹塑性分析

考虑了渗流体积力、岩体应变软化、破裂膨胀性重要因素,应用弹塑性力学理论,推导了渗流场作用下巷道围岩的应力和位移分布规律,给出了巷道围岩不同分区范围与孔隙水压力、岩体应变软化程度、破裂膨胀性之间的关系;研究表明,孔隙水压力和岩体破裂膨胀特性对巷道围岩破裂区范围的影响程度比对塑性区范围的影响程度明显;考虑渗流场比不考虑渗流场的影响时,塑性区范围和破裂区范围都要大;岩体应变软化程度对巷道围岩塑性区和破裂区的范围影响同样显著;渗流、应变软化、破裂膨胀性对巷道围岩变形的影响都比较明显。研究成果为渗流场作用下的巷道支护工程有一定的参考价值。     

基于数字图像技术的类岩材料直剪破坏试验研究

为研究裂隙倾角对岩体破裂失稳以及变形场的影响,分别制作了倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的7种预制单裂隙类岩试样,利用ZTRS-210岩石直剪仪和非接触全场应变测量系统进行直剪试验,并对裂纹扩展和全场应变进行同步监测。结果表明：类岩材料的峰值剪应力随裂隙倾角增加表现出增-减-增-减的趋势,裂隙倾角15°时最大,60°时最小;随着裂隙倾角的增加,试样的破坏模式由共面剪切破坏向拉剪复合破坏转变,倾角90°时为沿剪切面剪切破坏,并伴随较多的次生裂纹;相同倾角时,应变场随荷载增加由应变均匀分布转变为应变集中分布;应变均方差在压密阶段以及弹性阶段较小且增长缓慢,在塑性阶段以及破坏阶段骤增。研究结果可为岩体工程稳定性分析提一定的参考。     

平顶山盐岩力学特性及废弃盐腔稳定性分析

为了分析废弃盐腔的稳定性,对平顶山盐矿、盐岩、泥质硬石膏岩样进行单轴和三轴压缩试验以及蠕变试验,获得相应的力学特征。对平顶山盐矿某区压裂井、连通井和单井等建库完成后的腔体稳定性进行了数值模拟。结果表明,盐岩层呈现良好的延性变形特征,含泥质硬石膏岩夹层呈现脆性变形的特征。溶腔形状对腔体位移、应力分析以及稳定性等影响较大,从溶腔废弃开始到运行10a,道1井溶腔的最大位移出现在溶腔顶部靠右侧的位置,D1-2单井溶腔的最大位移出现在溶腔围岩边缘腰部位置,而L3-3压裂井溶腔顶部的位移值过大,溶腔顶部和底部已经坍塌,在泥岩夹层处应力集中现象比较明显。道1井溶腔左上角和右上角位置出现塑性区,D1-2单井溶腔顶部位置出现塑性区,在D1-1和D1-2溶腔群的矿柱之间出现了比较大的应力集中。在储气库运行期间,应该提高储气库的最低运行压力并缩短其在低压下的运行时间。     

隧道与前方大型溶洞应力集中叠加效应

在陆家寨岩溶隧道施工期间,曾预报并揭露大型溶洞,施工过程中接近溶腔段围岩变形较大且伴随围岩块体脱落,给隧道施工带来极大的安全隐患。基于深埋球形洞室的弹塑性二次应力分布,结合新奥法隧道施工理念,利用FLAC3D模拟隧道开挖接近并进入大型溶洞的过程。在自重应力场下分析不同大小的球形洞室周围应力场对隧道围岩变形的影响。结果表明:球形洞室会在周围形成中心半径为1. 5倍洞室半径的应力集中带;隧道开挖接近应力集中带时,将引起隧道前方应力集中区与溶洞应力集中带的叠加;随着隧道继续开挖,叠加效应在下一个进尺完成后失效;分布在隧道两侧围岩,该叠加再分散的过程会造成拱顶、拱肩的变形增大,影响隧道开挖的安全。研究为中国岩溶隧道的建设有重要的参考和借鉴价值。     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。