隧道岩体稳定性的非线性单元安全系数分析

为了采用非线性准则(巴顿准则)定量描述隧道岩体的稳定性,首先通过理论分析,推导巴顿非线性准则和摩尔库仑线性准则之间的关系,得到采用巴顿准则参数节理粗糙系数JRC和岩体压缩强度JCS表征的岩体剪切强度参数黏结力c、内摩擦角φ和巴顿准则参数表征的单元安全系数Ke;然后,利用有限差分软件FLAC3D建立隧道开挖计算模型,基于其内置的FISH语言,编制巴顿准则下非线性单元安全系数Ke计算程序,并对比Ke≤1的区域和FLAC3D塑性区分布。研究结果表明:Ke≤1对应的区域和由FLAC3D计算得到的塑性区域大致相同,从而验证了所推导的基于巴顿准则参数的单元安全系数公式的正确性以及所编制程序的可行性;单元安全系数Ke能够表征各个单元的破坏程度,优于塑性区判定标准。     

基于Hoek-Brown准则点安全系数的边坡稳定性分析

为了采用Hoek-Brown准则分析边坡各部位的稳定程度,通过理论分析,推导Hoek-Brown参数表征的点安全系数(Fp)函数;利用FLAC3D软件建立边坡数值计算模型,编制相应Hoek-Brown点安全系数程序,分析材料参数和应力变化的影响.研究结果表明:采用自编程序计算的Fp≤1区域与采用FLAC3D软件计算的塑性区分布范围大致相同,并且点安全系数的判定标准能够表征各单元的破坏程度,优于塑性区判定标准;随着单元损伤程度的加大,点安全系数Fp逐渐减小;随着地质强度指标GSI增大,Fp逐渐增大,两者之间的关系符合3次多项式分布;Fp随完整岩石的单轴压缩强度σci的增大而增大;最大主应力σ1增大引起Fp逐渐减小,两者表现出显著的双曲线分布规律;Fp随最小主应力σ3的增大而增大,这与工程实际情况相符.     

基于应变软化模型的软岩高边坡过程稳定性研究

为了研究软岩边坡开挖过程中及支护后的稳定性变化规律,基于应变软化模型采用FLAC3D软件对边坡开挖过程中的变形、塑性区分布、安全系数的变化以及采取不同处治措施的支护效应进行计算分析.研究结果表明:用FLAC3D软件建立的应变软化模型能够较好地反映软岩边坡应变软化特性；在软岩边坡开挖过程中,铅直位移和水平位移呈现出逐渐增大的趋势,各特征点铅直位移总体上大于水平位移;边坡剪切、张拉塑性区分布主要集中在边坡表层2～4 m范围内;在开挖过程中,边坡安全系数逐渐降低；采用全长注浆锚杆对边坡进行支护能有效控制边坡变形,且安全系数降低.     

岩体弱面注浆对边坡稳定性影响的模型及数值分析

针对实际工程中岩体边坡加固技术的不足,从边坡稳定内因出发,基于提高边坡岩体自身抗剪强度的思想,提出了压力注浆加固的方法.从力学机理出发,研究了注浆胶结体对加锚弱面力学性能的影响,在力学基础上为注浆工艺提供了论证.通过ANSYS建立数值模型,利用本文自编ANSYS-FLAC3D转换程序导入FLAC3D进行数值分析,在分别改变弱面抗剪强度参数c、φ值的条件下,得到c、φ与安全系数K之间的关系.分析结果表明,通过注浆提高弱面的c、φ值,能够从本质上提高边坡的稳定性.研究结果为岩体边坡压力注浆加固方法提供了可靠依据.图9,表1,参10.     

注浆加固对顺层边坡力学特征的影响

利用FLAC3D数值计算软件建立顺层边坡的计算模型,分析注浆加固前后岩土体应力、变形响应.研究结果表明:当坡体结构面注浆后,边坡中的位移和应力云图变得较均匀,在边坡中无明显的位移或者应力突变现象,有利于边坡的稳定,但是,由于注浆加固区域的有限性,导致边坡的整体位移仍较大；计算观察点动态位移能够表征注浆加固前后边坡各部位在开挖过程中的变形响应,以及潜在滑移面剪出口位置；通过注浆加固后,边坡的拉剪塑性区明显减少,注浆能够较好改善岩体自身性能,提高其承担拉伸和剪切应力的能力.     

隧道开挖中注浆效果的FLAC~(3D)研究

应用FLAC3D,通过改变受注围岩体的力学性质,研究注浆后隧道及围岩体开挖时的应力分布规律以及地表沉降情况.模拟结果与工程实际对比分析表明,注浆后加固体对于开挖隧道具有棚护作用,加固体两侧为应力集中区;按270°布置注浆孔,开挖引起沉降值最小,为22.3mm,实际工程监测值为27.1mm,应用FLAC3D进行注浆效果事前分析是可行的;计算值与实际值存在偏差与注浆施工的理想化有关,注浆时,应该逐渐增加注浆压力,并根据注浆终压和注浆量共同判断是否结束注浆,从而保证注浆质量.     

基于FLAC3D的大断面软弱围岩隧道注浆加固数值分析

大断面软弱围岩隧道,因其开挖面积大、岩石强度低、围岩赋存环境差、岩体破碎等特点,使其力学性能与一般围岩存在较大差异.为避免隧道开挖时可能产生的大变形甚至坍塌破坏,对大断面软弱围岩隧道进行注浆加固处理尤为重要.本文应用有限差分软件FLAC3D对不注浆、拱部注浆、全环注浆三种方案进行数值分析,研究隧道注浆加固后围岩的应力分布和位移的大小以及围岩稳定性.结果表明,注浆加固能够有效改善注浆区围岩的力学性能,提高注浆区围岩的强度,减小围岩的位移,增强隧道的自稳能力.     

综合考虑安全性和经济性的料场边坡开挖方案优选

保证安全性和经济性是料场开挖的主要目标.基于这两个目标,以有限元软件ANSYS建立料场边坡的三维网格模型,在综合考虑现场地质条件、位移、应力、塑性区、安全系数和开挖方量等影响因素基础上,采用有限差分程序FLAC3D对开挖边坡的整体稳定性进行计算;并对考虑不同开挖高程和开挖坡比的4种开挖方案进行对比分析,为工程施工提供优选方案.研究表明:在优选方案下,开挖边坡稳定性能够得到保证,弧形马道的圈顶部分应该采取加固措施.     

大断面隧道施工对洞口边坡稳定性的影响

以兰州市九州隧道为研究背景,以ADINA有限元软件建立前处理模型,采用FLAC3D有限差分程序进行后处理计算,对隧道进口段进行三维动态施工分析.基于全断面法及短台阶法开挖,探究不同开挖方式对洞口未支护及已支护边坡的位移、稳定性安全系数及塑性区域分布的影响.研究结果表明:隧道开挖对边坡竖向位移影响较水平位移强烈,水平位移波动较大的区域位于一、二级边坡的中下部;隧道开挖导致边坡稳定性安全系数降低,采用全断面法与采用短台阶法分别降低29.8%、19.8%;塑性区域分布集中于边坡的坡肩、坡趾及隧道的左拱肩、右拱脚附近区域,应对相关区域进行加固处理.     

基于强度折减法的尾矿坝稳定性数值模拟分析

采用ANSYS有限元软件建立某尾矿库坝体的三维有限元模型,然后将该模型导入FLAC3D进行尾矿坝稳定性分析.选取Mohr-Coulomb理想弹塑体本构模型,采用强度折减法并以塑性区贯通为失稳判据计算尾矿坝安全系数.该方法最终得出的尾矿坝安全系数为1.93,与瑞典圆弧法计算结果(1.90)基本一致.     

深埋隧道围岩滑移面验证及稳定性分析

为了采用安全系数分析深埋圆形盾构隧道稳定性,以隧道围岩弹塑性区域的应力分布为基础,采用变分方法验证围岩滑移面的分布形态.将围岩简化为理想弹塑性材料,结合弹塑性区域应变分布获得围岩极限塑性半径.基于Mohr-Coulomb准则,选取隧道安全系数为极限塑性半径内沿隧道滑移面围岩的抗剪强度与剪切力之比,获得以安全系数为隧道稳定性指标的分析方法.通过算例分析得出极限应变与屈服应变比值、围岩力学参数和支护参数与隧道相对塑性半径和安全系数的关系.研究结果表明:增加围岩内聚力、内摩擦角及支护压力能有效抑制隧道塑性区半径发展与提高隧道安全系数;围岩变形协调能力越好,整体越稳定.     

基于单元安全系数法的浅埋隧道三台阶法开挖进尺优化

为进一步研究浅埋隧道三台阶法开挖进尺问题,以鹅岭隧道为工程背景,采用FLAC3D有限差分法数值模拟软件建立了隧道三维稳定性分析模型,模拟了4种开挖方案,并引入单元安全系数法,计算了隧道围岩各区域的安全系数,分析了隧道围岩潜在的破坏形式,确定了三台阶法合理的开挖参数。通过对比分析围岩的安全系数、位移、应力、塑性区可得,上台阶开挖长度越长,中、下台阶开挖以及前方土体对隧道工作面的挤压越小,越有利于隧道开挖面的稳定性;而台阶越长,支护间隔越长,支护效果就越差,安全系数就越小,隧道围岩的失稳风险就越大。在施工过程中,隧道最危险的部位为拱脚与拱底处,建议采取方案一进行开挖,各台阶之间为不同步开挖,且预留核心土,上台阶开挖长度宜为5~10 m,开挖进尺宜为0.5~0.6 m。     

连霍高速杏花村1号大跨扁平超大断面隧道开挖方案研究

为研究大跨扁平超大断面隧道围岩和支护结构受力变形影响，以连霍高速杏花村1号隧道为工程背景，采用有限元软件FLAC3D对V级围岩进行数值模拟，对双侧壁导坑法和三台阶四部开挖法在隧道开挖时的位移、塑性区、初期支护应力的影响规律进行了研究，提出适用于大跨扁平超大断面隧道不同地质条件下安全经济的开挖方法。对比分析结果表明：隧道开挖时，采用三台阶四部开挖法的隧道拱顶位移、临时支护结构的应力、隧道岩体周边位移较采用双侧壁导坑法大。双侧壁导坑法安全性更高，对围岩位移的控制效果更好，为今后此类工程的施工提供经验和理论指导。     

附加载荷作用下空区顶板稳定性分析

以齐大山铁矿为工程背景,利用FLAC3D软件和Mohr-Coulomb屈服准则,通过极限分析方法和数值模拟技术相结合,研究了在附加载荷的作用下,不同厚度的空区顶板的稳定性.计算结果表明:当顶板厚度小于5.5 m时,顶板的破坏以受拉伸破坏为主,破坏区呈"拱"形向围岩内发展,此时的安全系数和极限承载能力随顶板厚度的变化并不明显,近似呈线性关系;当厚度大于5.5 m后,顶板的安全系数和极限承载能力随顶板厚度增大而迅速增加,因而建议对于10 m跨度的空区,其顶板安全应不小于5.5 m.对岩体黏聚力、内摩擦角和抗拉强度同步进行折减得到破坏区与增量加载的计算结果相似,得到的安全系数要小于仅折减黏聚力和内摩...     

高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响：以玉龙雪山隧道工程为例

为研究高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响,依托玉龙雪山隧道工程,基于现场长期监测数据,结合有限差分程序FLAC3D建立数值分析模型,研究超前平导对主洞围岩应力、围岩位移和塑性区分布的影响,明确主洞与平导间最优间距。研究结果表明:主洞开挖过程中,当掌子面与监测面距离为3.63倍主洞洞宽时,监测面拱顶沉降、上收敛、中收敛和下收敛值占最终变形值的80%以上,围岩变形稳定后上收敛值和中收敛值均大于拱顶沉降;平导超前开挖可有效改善主洞围岩应力环境,主洞与平导间距较大时,围岩应力改善效果不佳,随着二者间距逐渐减小,围岩应力改善效果逐渐增强,但主洞与平导间距过小时,二者开挖产生的塑性区会贯通,综合考虑,确定主洞与导洞最优间距为3.5倍导洞宽度;主洞拱顶沉降值和拱底隆起值随着主洞与平导间距的减小而增大,左右拱腰水平位移值随着主洞与平导间距的减小先减小后增大,当二者间距由5.0D减小至3.0D时,拱顶沉降值和拱底隆起值分别从-0.598m和0.426m增加至-0.679m和0.514m。     

节理岩体数值模拟及力学参数确定

采用FLAC3D程序和离散裂隙网络技术构建的遍布节理岩体模型能同时考虑节理岩体中节理和岩体的作用,具有概念清晰、建模快捷、计算效率高等特点. 首先对现场结构面测绘数据进行统计分析,获得其概率分布特征参数,在此基础上分两尺度考虑节理并确定其离散裂隙网络模型;其次基于离散裂隙网络模型构建相应的节理岩体模型,研究其强度特征并获取工程岩体单轴抗压强度;结合Hoek-Brown、Mohr-Coulomb准则及最大围压拟合综合确定节理岩体力学参数;最后将拟合所得参数用于边坡稳定性分析,分别运用强度折减法和极限平衡法计算两种模型的安全系数,对比发现计算结果基本一致,表明所提出的研究思路用于确定节理岩体参数是可行的.     

浅埋暗挖隧道双液注浆加固数值模拟分析

二重管无收缩双液注浆技术(WSS)是浅埋暗挖含水砂层隧道施工中的一种有效的预加固技术。文章研究了该技术在浅埋含水砂层隧道开挖中的加固机理,以广州地铁5号线珠江新城至猎德段隧道为例,利用三维有限差分软件对隧道开挖后的变形情况及塑性区进行模拟,分析了有无预加固措施对拱顶地面沉降的影响,认为二重管无收缩双液注浆技术能有效地控制含水砂层围岩的变形和地表沉降,减少隧道初期支护的变形和受力,以保证施工的安全;同时,也进一步论证了有限差分程序FLAC 3D在实际隧道工程分析中的适用性。     

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。     

考虑初始渗透压力的裂隙岩体本构模型二次开发及其验证

为充分研究含水裂隙岩体的力学特性,在摩尔库伦模型的基础上,充分考虑初始渗透压力的作用.对本构方程中的柔度张量进行适当的修正,生成考虑初始渗透压力的裂隙岩体本构模型.为了增加对比性,按照同样的理论推导方法及二次开发流程,在不考虑初始渗透压力的影响下,成功地生成未考虑初始渗透压力的裂隙岩体本构模型.在此基础上,利用C⁺⁺语言,将以上两种模型编译成可运行的动态链接库文件.为验证自定义本构模型的准确性,在FLAC3D中建立同一个50 m×50 m×1 m的圆形隧道数值模型进行对比分析.通过分别求解计算3种本构模型,分析各圆形隧道上4个对称点的位移变化情况.结果表明:将初始渗透压力直接引进本构方程中,利用C⁺⁺二次开发出来的本构模型是成功的.     

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。