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。     

竖向排列地下硐室群动力稳定性的数值模拟分析

以竖向排列地下硐室群为研究对象，将爆破地震波简化为谐波形式，运用三维有限差分程序FLAC^10研究不同速度、不同动荷载频率以及不同硐室间距条件下硐室群隔板位移和围岩塑性区面积的变化规律，以及上方硐室跨度变化对隔板位移和下方硐室稳定性的影响，通过工程实例分析爆破震动作用下地下硐室群的稳定性。研究结果表明：动荷栽速度对地下硐室群稳定性的影响最明显，隔板位移和围岩塑性区面积随爆破地震波速度增大而增大；随着爆破地震波频率的增大，隔板位移先增大后减小；随着硐室间距的增加，隔板位移减小，有利于地下硐室群的稳定；随着上方硐室跨度增加，隔板位移增大；地下硐室群围岩中出现多处应力集中，但最大拉应力小于岩体的抗拉强度，不会出现拉裂破坏；分析结果与实际观测结果相吻合。     

裂隙岩体硐室抗爆稳定性影响参数

为研究裂隙岩体硐室抗爆稳定性的影响因素,采用Froude相似理论开展不同隙跨比硐室的抗爆模型试验,分析不同工况下围岩压力、洞壁位移及应变的变化规律,通过数值模拟对试验结果进行验证,进一步探究节理范围、倾角以及爆点位置对硐室抗爆稳定性的影响.研究结果表明:隙跨比对硐室抗爆稳定性的影响较大,其中,隙跨比大的硐室未出现明显损伤,整体稳定性较好,隙跨比小的硐室的破坏现象较为严重;数值模拟与模型试验的结果较为一致,证明研究方法的合理性和可行性;侧邦及底板处节理范围的改变对硐室抗爆稳定性的影响较小,拱部节理倾角的增加可提高硐室的抗爆稳定性;在结构面倾向边爆炸时,模型硐室的破坏最为严重.所得结果可为地下工程选址以及支护提供一定的参考.     

跨不同倾角软弱层隧道围岩变形规律

山区隧道与地下工程的建设中多会穿越软弱夹层或破碎带等软弱地层。此类软弱地层几何形态变化大,力学性能差,隧道开挖后的收敛变形往往难以控制,这也成为山岭隧道施工以及结构设计的难点所在。本文着眼于软弱地层倾角对隧道围岩开挖变形的影响规律,利用模型试验,对无支护条件下软弱层围岩的拱顶、拱腰进行研究,监测了软弱层倾角分别为45°、60°、90°、120°、135°时隧道开挖造成的收敛变形;并结合数值模拟方法,进一步对比验证了模型试验的检测规律。结果表明：软弱层倾角对隧道围岩变形的影响十分显著。随着软弱层倾角的增加,隧道拱顶、拱腰以及仰拱的围岩位移先减小后增大。不同软弱层倾角下,通过归一化处理发现,拱顶和拱腰位置数值计算和模型试验的围岩位移变化结果呈现出高度的一致性。且根据监测面的塑性区云图,剪切破坏的区域贯通,分布于隧道一周,其面积随着软弱层倾角的增加,先减少后增大。     

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。     

煤层倾角变化对采动覆岩变形规律影响的相似模拟试验研究

为研究工作面开采后顶板变形破坏随煤层倾角变化的规律,以南桐矿区不同倾角的同一煤层开采为工程研究背景,分别选取缓倾斜、倾斜、急倾斜三种煤层倾角进行煤层开采顶板变形破坏规律的相似模拟试验。对相似模型开挖前后图像进行数字散斑相关法处理,得到相似模型煤层开采后顶板覆岩位移及平面总应变等值线云图。通过综合分析顶板位移及平面总应变可知：上覆岩层变形的破坏程度总体上是随煤层倾角的增加呈减小趋势,其下沉剧烈区域和膨胀变形破坏剧烈区域呈逐渐向工作面上山方向发展的趋势;根据顶板位移云图和平面总应变云图中的等值线极值区域特征,确定了缓倾斜、倾斜煤层开采垮落带、裂隙带高度和偏心程度等参数,并根据"压力拱"理论确定了急倾斜煤层开采裂隙带范围;随煤层倾角增大"两带"高度总体上呈减小趋势,且"两带"偏心方向呈向上山方向增加的趋势。     

泥层厚度与倾角对互层状岩体力学特性影响

互层状岩体在工程中广泛分布,为了研究句容抽水蓄能电站工程区内软弱泥化夹层对工程稳定的影响,利用已有的岩体力学参数标定微观参数,在PFC2D中建立含多层泥化夹层的岩体模型对其破坏规律分析.对不同倾角、不同厚度比例的9组模型进行双轴数值试验.结果表明,互层状岩体强度随软弱泥化夹层厚度比值增加先增大后减小;互层状岩体在轴压增大过程中,软弱夹层多次被破坏,且破坏从软硬交界面处开始;在一定厚度比值下,倾角的增加直接影响了互层岩体的强度,同时也使得轴压较低时软弱泥化夹层破坏次数降低,倾角越大对岩体破坏形式的控制作用越明显.     

基于Hock-Brown准则的层状岩体隧道开挖响应分析

利用Hoek-Brown准则描述岩体的强度特征,并建立相应隧道开挖的数值计算模型,分析不同侧压系数时层状岩体的变形破坏特征.研究结果表明,隧道边墙水平位移随侧压系数K的增大而增大,但当K为2.0-2.5时,位移随侧压系数的变化幅度逐渐减小;顺层岩体一侧的水平位移大于逆层一侧的水平位移;当侧压系数较小时,顶板沉降量大于底板回弹量,当侧压系数较大时,二者之间的差别较小;隧道围岩的破坏形式包括剪切破坏和拉伸破坏,当侧压系数较小时,破坏区域较小,主要位于隧道的左上部;随着侧压系数的增大,围岩的破坏区域逐渐增大,但主要部位仍位于隧道的左上部,而右上部的破坏区域较小.     

平行节理相互作用对节理岩体的力学行为影响

以类岩材料制作平行节理试样并开展压剪实验,采用声发射系统监测试样加载过程,研究节理相互作用对岩体力学行为的影响。研究结果表明:1)节理试样在压剪加载下可分4种破坏模式:共面剪切破坏;沿节理面剪切破坏;沿剪切应力面剪切破坏;类完整型剪切破坏。倾角对试样破坏模式起决定性作用,重叠度影响试样裂隙的发育。2)试样峰值剪切强度随倾角增加先增大后减小并在45°取得最大值;随着节理重叠度的增大,峰值剪切强度逐渐减小;剪切峰值强度对倾角因素更敏感。3)不同倾角试样的剪切应力-位移曲线差异主要体现在破裂后阶段,试样的声发射计数变化规律与破坏模式相对应;不同重叠度试样应力-位移曲线形态相似,试样的声发射计数变化规律相似,但计数峰值随重叠度的增大逐渐减小。     

乌鲁木齐地铁隧道互层岩体力学特性的离散元数值分析

为了研究乌鲁木齐地铁隧道中强风化泥岩、砂岩组成的互层岩体力学特性,本文首先在乌鲁木齐泥岩、砂岩物理力学参数获取的基础上,对互层岩体物理力学参数进行微观参数标定,然后通过颗粒流数值模拟单轴压缩试验,分析了互层围岩层厚、层厚比、岩层倾角及层厚比与岩层倾角共同作用下互层岩体力学特性响应规律。分析结果表明：互层围岩的层厚与其单轴抗压强度呈负相关关系;随着互层围岩层厚比的增加,其单轴抗压强度在降低,且降低梯度逐渐减小;互层围岩倾角的增加使单轴抗压强度的变化大体呈U字形变化趋势,在岩层倾角为40时,单轴抗压强度达到最低;围岩倾角与层厚比的组合对单轴抗压强度的影响比较明显,且在围岩倾角为0、20及80,围岩层厚比为0~0.2的范围之间最为明显。研究成果对乌鲁木齐互层岩体稳定性评价与预测预报具有一定的理论指导意义。     

马蹄形洞室围岩稳定性结构面倾角效应分析

为了分析不同倾角结构面对马蹄形洞室围岩稳定性的控制机理,文章运用数值模拟的方法分析了15°、30°、45°、60°、75°5种典型倾角结构面横穿马蹄形洞室断面时围岩应力分布、围岩位移的特征,探讨了结构面产状控制围岩变形与破坏的机理。通过对应力场和位移场的分析可知:当结构面倾角小于等于60°时,塑性区随结构面倾角的增大不断减小;当结构面倾角大于60°时,塑性区随倾角增大而增大;在结构面倾角为60°时,洞室围岩的塑性区最小,相对稳定。     

软弱夹层倾角对巷道围岩稳定性的影响

为研究软弱夹层的倾角对巷道围岩稳定性的影响,通过相似原理配制了含不同倾角软弱夹层的物理模型,利用模具对其施加位移边界条件,试验机对其施加垂直载荷,模拟地应力,对物理模型进行模拟开挖。结果表明:含不同倾角软弱夹层的巷道顶部均出现应力集中,呈现塑性变形并最终局部出现冒顶现象。巷道围岩的稳定性和软弱夹层的倾角有一定的关系,软弱夹层的角度越大,夹层和主岩体的结构面越容易发生滑移,整个巷道围岩的稳定性越差。可见软弱夹层的倾角严重影响巷道围岩的稳定性。     

无中导洞连拱隧道掌子面纵向间距优化

作为一种大跨径地下结构形式连拱隧道结构复杂,无中导洞法能在提高施工速度的基础上降低中隔墙渗漏水。为研究连拱隧道无中导洞法施工活动对隧道先后行洞的影响程度,以陈家滩隧道为研究对象通过数值模拟,研究了不同间距下先后行洞的影响范围、先后行洞的影响程度以及中隔墙的倾覆趋势。结果表明：当先行洞开挖至控制截面5m范围内对围岩的影响最大,其围岩位移释放系数增量达到了40%以上;超过控制截面10 m时其围岩释放系数达到了93%以上,影响程度较小;超过20 m时影响程度可以忽略。当先后行洞纵向间距大于35 m时影响程度S值接近10%,纵向间距大于40 m时S值小于10%。从中隔墙的倾覆程度来看当先行洞开挖完成时,中隔墙的倾斜程度达到最大,倾斜角约为3.28×10-4;而纵向间距大于30 m时倾斜角差值为0.351×10-4,此时中隔墙倾斜程度较大极差较小,有利于中隔墙受力。故先后行洞开挖掌子面纵向间距建议控制在30 m~40 m左右。     

基于改进遍布节理模型的岩石基坑开挖稳定性数值分析

为解决现有研究针对开挖于层状岩体中且边坡含高倾角外倾结构面的岩石深基坑开挖稳定性的研究相对欠缺的问题,本文依托徐州市地铁3号线南三环站基坑工程,通过对FLAC3D中既有遍布节理模型的改进,得到了可同时考虑层状岩体变形和强度各向异性的横观各向同性弹塑性遍布节理模型,基于该本构模型采用数值模拟分析的方法对不同岩层倾角条件下基坑及围护结构的变形情况进行了模拟分析。结果表明：地面沉降最大值和围护桩的最大水平位移均受岩层倾角影响,当岩层倾角为50°时上述量值最大。为定量分析岩层倾角影响下围护桩的变形规律,对模拟结果进行了数据拟合,获得了围护桩最大变形与岩层倾角的理论关系。强度折减计算结果表明,岩层倾角为50°时基坑开挖完成后的安全系数最低,并获得了不同岩层倾角下基坑开挖完成后边坡的安全系数分布及基坑边坡的潜在破坏面形式,给出了依托工程围护桩的桩间距优化建议。     

层状砂岩静动力学特性对比

文章为研究层状砂岩在冲击荷载和静荷载作用下层状砂岩的力学特性,对层理倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的试样进行冲击压缩实验和静力压缩实验。对2种试验的结果进行对比分析发现：随层面倾角增大,砂岩峰值强度先减小再后增大;试样冲击压缩时试样峰值强度较大;静载条件下,随角度的增大,弹性模量与强度均而先增加后减小再增加,冲击压缩时,随角度的增加,弹性模量的变化呈先增加再减小的趋势,强度的变化呈先减小后增大的“U”形;单轴压缩实验中,倾角为0°~75°试样发生剪切破坏,倾角为90°的试样发生劈裂和剪切混合破坏;冲击荷载作用下,试样在倾角0°~60°时破碎形状为块状,倾角在75°和90°时破坏形状为块状和片状混合。     

考虑互层状岩体接触状态的地下洞室围岩稳定分析

层间剪切、挤压破碎带是影响互层状岩体地下洞室围岩稳定的重要因素.针对互层状岩体层间剪切、挤压破坏问题,引入界面单元模型模拟其接触特性.在此基础之上,对该接触面模型算法进行改进,针对接触面边界上节点可能存在的接触状态:黏结、滑移、张开和嵌入,建立了相应的接触状态判别准则和修正迭代算法,可以有效模拟互层状岩体层间非线性滑移破坏问题.将本文模型应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站地下厂房围岩稳定性分析中,对比横观各向同性模型计算结果,表明考虑接触后在层间过渡处应力和位移呈现非连续性变化,且量值增大;层间出现了错动位移,在主厂房边墙侧中下部较为明显.     

断层破碎带隧道围岩敏感性及沉降控制分析

为探明施工隧道穿越断层破碎带时何种断层形态对围岩稳定性影响最为显著,以绵九高速公路五里坡隧道不同断层形态为例,采用三因素四水平数值模拟正交试验对围岩敏感性分析。此外,为避免隧道开挖至断层破碎带时围岩发生较大变形及破坏,保证隧道施工过程安全,对断层的响应特性进行概括,需对断层段围岩注浆加固提高其稳定性。最后,对注浆加固圈厚度分别为：0m、1m、2m、3m的断层段隧道施工过程进行FLAC 3D三维模拟,采用位移控制率均值K对隧道断层及前后段整个区段的围岩控制效果进行定量评价。结果表明：1）断层倾向在各水平条件下变化时,拱顶沉降和边墙位移基本不发生改变,其余两因素对隧道拱顶沉降和边墙位移的影响程度分别为：断层厚度＞断层倾角、断层倾角＞断层厚度。2）注浆加固圈厚度由0m递增至3m时,隧道轴向位移和塑性区面积依次减少,但注浆加固效果也明显下降。3）通过围岩控制率k定量分析注浆加固对位移的控制效果,断层前后段的位移控制率均小于断层处。可见,在既能保证工程安全,又能减少注浆的使用,加固圈为2m时效果最好。     

基于时空效应的深基坑工程变形规律分析

以基坑开挖的"时空效应"为根据,对上海市陶家宅深基坑工程的监测数据进行统计分析。对各监测项目在不同施工阶段、不同空间位置的变形规律进行讨论,重点分析了基坑自身变形及周边环境的变形在不同"时空条件"下的表现形式与内在联系。结果表明:各监测项目的变形主要发生在基坑开挖阶段,底板可以有效地控制基坑自身和周围环境的变形;基坑的空间效应影响程度沿远离坑角方向衰减,且基坑长深比越大,空间效应表现得越明显;围护结构最大侧移及最大侧移出现的深度均随开挖深度的增大而增大;基坑周边地表沉降沿远离坑壁方向呈现先增大后减小的三角形变化趋势;基坑周边地表沉降与管线沉降规律大体相同,但在数值上存在一定的差别。