SV波入射下衬砌尺寸对引水隧道动力响应的影响

采用波函数的Fourier-Bessel级数展开方法,得到了SV波入射时,大型引水隧道平面地震响应的解析解,并对建立的场地模型进行数值计算.计算结果表明:SV波入射时,引水隧道衬砌的径向动应力随隧道内径的增大而增大,径向动应力的最大值与隧道内径呈线性关系,SV波入射引起的引水隧道衬砌的切向动应力随隧道内径的增大而增大.当入射角小于临界角时,切向动应力受隧道内径变化的影响很大.此外,引水隧道衬砌的径向动应力随衬砌厚度的增大而增大,切向动应力则随衬砌厚度的增大而减小.     

地震动斜入射下层状岩体隧洞接触响应分析

为研究层状岩体对隧洞地震响应的影响,考虑地震动斜入射特性和层状岩体层间非线性接触特性,建立一种层状岩体水工隧洞地震动力响应数值模拟方法.首先,基于三维黏弹性人工边界条件和波场分解理论,将地震动转化为作用于人工边界上的等效节点力,建立了一种层状岩体中地震动三维空间斜入射输入方法.其次,针对地震作用下层状岩体层间动力相互作用特点,建立了一种考虑接触面黏结滑移特性的动接触力算法.将该模拟方法应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站输水隧洞抗震稳定计算,对比分析地震动竖直入射、地震动斜入射、地震动斜入射且考虑动接触3种工况的计算结果,结果表明,地震作用下隧洞结构的应力和位移响应受地震动入射角影响明显;层间剪切、挤压破碎带的存在加剧了隧洞的地震反应,接触面附近破坏区发展较大;考虑接触作用后,衬砌腰部的应力和位移响应相比顶拱较大,首先发生开裂损伤破坏,成为水工隧洞衬砌结构抗震设计的薄弱部位,隧洞结构的损伤区主要分布于软岩穿过部位和层间接触部位.     

SH波作用下浅埋隧洞的动应力集中特性

针对平面SH波作用下浅埋隧洞的动力响应问题,采用复变函数和多极坐标方法,研究了入射波频率、入射角度以及隧洞埋深对隧洞动应力的影响规律.研究结果表明:低频波入射时隧洞埋深对动应力集中系数分布影响不大,但高频波入射时影响较为明显;随着入射波与水平面角度逐渐增大,隧洞动应力集中系数(dynamics stress concentration factor,DSCF)分布越来越复杂,最大值从低频段逐渐转移到高频段;当入射角θ0>0时,最大DSCF略大于3,远大于深埋隧道的2.3;当θ0=0、波数小于0.5且隧洞埋深h>4a(a为半径)时,最大DSCF的谱分布较均匀,此时从最大DSCF的角度可将隧洞近似当成深埋隧洞来分析入射波对隧洞的动力作用.     

锚杆支护下两向不等压深埋隧洞受力与变形弹性分析

为了给引水隧洞隧址选择和支护参数设计提供理论参考,采用均匀化方法,基于复变函数理论,推导了非均匀应力场下锚杆支护时深埋圆形隧洞的应力及位移弹性解析解,并给出了洞周切向应力及径向位移随围岩弹性模量、侧压力系数、锚杆长度、半径和环向间距等参数的变化规律。通过算例分析,得出以下结论:（1）随着围岩弹性模量的增大,隧洞洞周各点的切向应力和径向位移均减小,且对围岩弹性模量（单位:GPa）在[5,10]区间最敏感;（2）侧压力系数在（0,1]区间时,洞周最大切向应力和径向位移随其增大而减小;在[1,2]区间则相反,并对侧压力系数在[1,2]区间更敏感;（3）随着锚杆长度的增大,洞周的切向应力和径向位移逐渐减小;随着锚杆半径增大,洞周的切向应力逐渐增大,径向位移逐渐减小;而随着锚杆环向间距的增大,洞周应力和位移的变化趋势与锚杆半径的规律相反。     

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。     

地震波斜入射下浅埋偏压隧道动力响应数值分析

基于粘弹性边界的时域波动理论,建立了二维平面SV波斜入射的输入方法.以成兰铁路某山岭隧道浅埋偏压段为研究对象,采用ANSYS研究了地震波入射角度对浅埋偏压隧道地震反应的影响.结果表明:地震波斜入射时,隧道结构的地震响应与垂直入射有明显差异,结构反应随着入射角度的增加而增大,斜入射对隧道竖向地震响应影响更为显著.入射角度对衬砌弯矩峰值包络图影响较大,对轴力峰值包络图影响很小.斜入射时,拱顶、仰拱和拱腰的弯矩增加较多,是隧道衬砌抗震的薄弱部位.     

考虑地震波斜入射下河谷地形的大跨桥梁动力反应研究

大跨度桥梁的地震动空间变化的非一致影响不可忽略,斜入射是引起这种空间变化的主要因素.研究了斜入射条件下自由场数值模拟方法,建立了考虑地震动空间非一致性的大跨度桥梁三维有限元分析模型,以某跨海连续刚构桥为背景,研究了考虑非一致地震动空间的大跨桥梁地震动力反应,分析桥梁的内力幅值和分布规律.研究了地震波输入、斜入射角、地基土剪切波速以及河谷地形等影响因素的变化对P波及SV波作用下连续刚构桥结构动力反应的影响规律.结果表明,河谷地形条件下,墩底内力的变形规律和平坦地形相比有一些差异.斜入射时河谷地形的剪力和轴力的非一致影响系数与平坦地形相差比较大,P波作用下,墩底剪力和纵桥向弯矩随着入射角的增大而增大,墩底轴力随着入射角的增大而减小,SV波入射时,河谷地形条件下的墩底剪力和纵桥向弯矩随着入射角的增大而减小,墩底轴力随着入射角的增大而增大.     

地下圆形衬砌洞室对SV及Rayleigh波的动应力集中(II):数值结果

为了解决在入射平面SV波和Rayleigh波作用下地下圆形衬砌洞室的动应力集中问题,利用文献[5]的级数解,分析了衬砌刚度、入射波长、入射角度诸因素对动应力集中系数(DSCF)的影响。数值结果表明:(1)衬砌刚度对DSCF有重要影响,柔性衬砌情况DSCF最小,刚性衬砌情况的最大;环向与轴向DSCF最大可分别达到32.31与16.12;(2)入射频率和入射角度对DSCF也有很大影响。     

地下圆形衬砌洞室对SH波的散射(Ⅱ):数值结果

针对地下圆形衬砌洞室对入射平面SH波的散射问题.采用波函数展开法求解出其三维级数解,利用其级数解,定量分析了入射波长、入射角度、洞室直径、衬砌刚度等因素对洞室附近地震动的影响.结果表明:入射波的频率η对位移幅值有重要的影响,当入射频率较高时,水平和轴向地表位移幅值可以分别达到无洞室情况的7.8和1.6倍以上;入射角度和衬砌刚度对地表位移幅值也有较大影响,随着波入射角度δ2的增加,位移幅值逐渐减小,衬砌情况下半空间表面x与z方向位移幅值与无衬砌情况相比分别高出了62.38%和58.42%.     

内贴CFRP加固圆形隧洞弧形界面力学性能研究

内贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固圆形隧洞时，弧形加固界面的力学性能是影响CFRP与衬砌混凝土两种材料能够变形协调共同承载的重要因素．考虑弧形加固界面的黏结滑移，建立了界面应力理论分析模型，分析了界面曲率变化对界面应力状态的影响；通过建立CFRP加固圆形隧洞数值分析模型，着重研究了胶层的弹性模量和厚度、CFRP的弹性模量和厚度、CFRP的粘贴层数等加固参数变化时，弧形加固界面应力状态的变化规律；最后结合具体工程案例，在兼顾隧洞衬砌满足加固条件的同时，从减小界面应力、防止结构出现剥离破坏的角度对上述参数的选择提出优化方案．计算分析与工程案例研究结果表明：界面曲率的存在使得加固界面上不仅存在环向应力，而且会存在径向应力，界面应力状态相比于加固界面为平面而言更为复杂；界面曲率的变化对界面环向应力无明显影响，但对界面径向应力影响显著，随着界面曲率半径的逐渐降低，界面径向应力水平会显著提高；选择弹性模量较小的胶层，适当减小胶层的涂刷厚度，可以显著降低弧形加固界面的应力水平，从而降低结构发生剥离破坏的潜在风险；在满足结构受力与承载要求的前提条件下，建议选择厚度较薄、弹性模量较小的碳纤维材料对圆...     

水利工程中压力隧洞型式的选择与系数计算

水工压力隧洞的埋设深度决定其施工工期的长短和造价的高低。若能将隧洞内的水压力荷载传递到岩体内,而不引起岩石滑移或涌水的危险,则隧洞距地表面的距离即为压力隧洞的最小埋深。在工程实践中,确定埋深不大的压力隧洞的衬砌型式及参数应仔细研究山岩岩体的结构和应力状态,其最终方案的选择必须进行系统的数值研究。     

围岩力学参数对水工隧洞运行期衬砌受力影响分析及工程应用

应用从奥地利引进的大型岩土分析软件FINAL分析了不同围岩参数对运行期衬砌受力影响的敏感性,得知围岩参数的准确性对于衬砌厚度的设计有较大影响;根据江源隧洞现场监测资料反演得出分析洞段围岩参数,以此参数为依据研究了4种支护方案下运行期衬砌的受力情况:①不考虑一次支护条件;②考虑一次支护钢拱架;③考虑洞段整体超挖衬砌厚度增加情况;④同时考虑②、③情况.分析结果表明:在考虑一次支护的作用后,衬砌轴力及应力明显降低;洞室整体性超挖相当于增大了衬砌的厚度,使得衬砌轴力增大,应力减小.     

地震动入射角度对盆地地震响应的影响

为了研究不同入射角度地震动作用下盆地地表地震响应,基于ABAQUS软件显式有限元计算平台,针对某一45°坡角的盆地,以狄拉克脉冲作为输入SV波,探讨了地震波倾斜入射角度改变时盆地地表峰值位移(PGD)等的变化特征.结果表明:入射波作用角度由0°,5°,10°,15°,20°,25°,30°依次增加时,盆地地表PGD表现出先增大后减小的趋势;当入射角度为10°时,地表PGD达到最大值,为输入地震波位移幅值的7.69倍,说明若按垂直入射进行地震响应分析所得结果将偏于不安全;较垂直入射情形,地震波倾斜入射时盆地表现出更为显著的边缘效应,边缘PGD最大值约为盆地中心PGD的1.3倍;地震动响应聚焦区域会随入射角度的增大逐渐向盆地右侧偏移.     

水利工程中压力隧洞型式的研究

水工压力隧洞的埋设深度决定其施工工期的长短和造价的高低。若能将隧洞内的水压力荷载传递到岩体内，而不引起岩石滑移或涌水的危险，则隧洞距地表面的距离即为压力隧洞的最小埋深，在工程实践中，确定埋深不大的压力隧洞的衬砌型式及参数应仔细研究山岩岩体的结构和应力状态，其最终方案的选择必须进行系统的数值研究。     

深埋隧洞开挖造成的应力变化过程

采用应力路径定义的安全系数计算方法,以锦屏二级水电站引水隧洞为例,采用FLAC3D软件分析深埋隧洞开挖造成的应力路径和安全系数变化过程.研究结果表明:在深埋隧洞开挖过程中,拱项、边墙和仰拱围岩的主应力、应力路径和安全系数变化规律基本一致;开挖面在监测断面2倍洞直径之内时,开挖开始引起监测断面处应力变化,在1倍洞直径之内时,变化则比较明显;在监测断面前约0.3倍洞直径时,会引起应力急剧变化;随着隧洞的开挖,围岩主应力的方向也会发生旋转,最大主应力方向最终旋转为隧洞的切向,中间主应力方向旋转为隧洞的轴向,最小主应力方向旋转为隧洞的径向;当开挖面通过监测断面后,安全系数趋于稳定值,且大于1,说明该隧洞在此种支护措施下是安全的.     

轴对称爆炸载荷作用下深埋圆形隧洞的准饱和土动力响应

考虑准饱和土与隧洞弹性衬砌的非完整连接, 基于Biot模型和弹性理论, 研究了深埋圆形隧洞的准饱和弹性土在轴对称爆炸载荷作用下的动力响应. 通过引入势函数和Laplace变换, 得到准饱和弹性土-弹性衬砌耦合系统在Laplace变换空间中动力响应的解析解; 借助Laplace逆变换的数值Crump法, 得到了耦合系统的时程响应; 分析了不同隧洞模型下准饱和土的动力响应. 结果表明: 准饱和土-壳体衬砌系统模型的土体响应最小, 而无隧洞衬砌准饱和土模型的土体响应最大; 饱和度对土体位移和应力影响较小, 但对孔隙水压力有较为显著的影响; 且随着接触面刚度的增大, 准饱和土体的径向位移和环向应力幅值均增大.     

充填开采含“天窗”薄基岩力学模型

针对第四系资源开采遇到的"天窗"地质构造问题,以存在天窗地质构造的煤矿为背景,建立充填开采含"天窗"水平薄基岩的力学模型—Winkler弹性地基上开孔固支板模型,求解矸石充填条件下含天窗水平薄基岩挠度表达式.在此基础上对薄基岩厚度、天窗尺寸、矸石充填体强度对薄基岩天窗附近应力分布影响进行分析探讨.研究结果表明:薄基岩下表面天窗边界处径向和环向应力都为拉应力;薄基岩厚度、天窗尺寸对天窗边界环向应力影响较大,而对径向应力影响较小,环向应力随薄基岩厚度的增大迅速递增,随天窗尺寸增大逐渐增大;增大矸石充填体强度能显著减小天窗附近应力,矸石充填体强度增大,环向应力大幅度降低,薄基岩天窗附近应力环境显著改善,防止天窗边界处出现破坏裂纹,导致薄基岩局部失稳.     

影响核电厂取水隧洞抗震性能的几个因素分析

为了分析影响取水隧洞抗震性能的主要因素,运用动力时程反应分析方法,利用FLAC3D程序对某核电厂取水隧洞进行了抗震分析,并绘制衬砌内力包络图,分析地应力、应力释放系数、围岩弹性模量等参数变化对隧洞衬砌内力的影响。结果表明,随着初始地应力的增大,衬砌内力逐步增大;开挖时应力释放系数越小,二衬分担应力释放荷载比例越大,衬砌的内力也就越大;随着围岩弹性模量的增大,衬砌内力大幅度降低。该成果对隧洞抗震设计具有一定的参考价值和指导意义。     

考虑应力路径的深埋高地温隧洞黏弹-塑性围岩解析解

高地温深埋水工隧洞黏弹—塑性岩体中,由于高温环境的影响和隧洞降温等,致使围岩产生一定的温度应力。因此研究高地温隧洞围岩解析解时必须研究温度应力对围岩塑性区以及应力应变的影响。基于广义Kelvin模型与Bingham模型组成的高地温深埋水工隧洞黏弹塑性围岩力学模型,并在考虑应力路径对围岩与支护的影响下,结合高地温环境中温度应力对围岩与衬砌的影响,进而推导高地温环境热力耦合作用下围岩应力、应变、洞壁位移以及围岩塑性区半径的解析解。基于新疆某高地温水工隧洞工程进行分析与计算,对温度、围岩应力应变及塑性区半径的关系展开理论计算与分析。结果表明,考虑温度应力后计算得到的围岩位移更小。当隧洞内温度变化到达一定量时,所产生的温度应力可能会对围岩与衬砌相互作用的稳定性产生影响。     

高地温引水隧洞支护结构的受力特性分析

为了研究新疆某水电站高地温引水隧洞支护结构的受力特性,利用实测温度数据,结合弹性力学的拉梅公式计算与分析了隧洞衬砌施工期、运行期和检修期3种工况下4种计算情形下的径向应力、环向应力和轴向应力。计算分析结果表明,运行期由于过水内外壁温差较大,拉应力值大于施工期和检修期的拉应力值,其中拉应力主要是温度拉应力;3种工况下弹性模量随着温度变化比衬砌参数不变情况下的衬砌径向最大应力大0.02-0.04 MPa左右,比衬砌环向最大拉压应力大0.2 MPa左右,比衬砌轴向最大拉压应力大0.05 MPa左右;线膨胀系数随着温度变化引起的衬砌应力变化可忽略不计。上述结果可为高温引水隧洞衬砌设计提供依据,对类似工程设计有一定的参考价值。