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。     

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。     

不同角度充填节理花岗岩剪切裂纹扩展规律及断裂机制研究

增强型地热系统储层中岩体节理通常含有充填物,充填节理的剪切力学行为直接影响储层渗透性及连通性。基于不同角度充填节理花岗岩直剪试验,研究了充填节理花岗岩剪切破坏的力学特性、损伤变量演化及裂纹扩展规律。结果表明：充填物及节理角度影响花岗岩抗剪强度,表现为充填物改变裂纹扩展介质,节理角度影响花岗岩剪切时节理面的受力状态;充填节理花岗岩损伤破坏过程分为裂纹闭合、裂纹萌生发育、裂纹扩展破坏3个阶段,损伤变量随着损伤过程进行呈不断增大趋势;节理花岗岩剪切裂纹扩展方向可分为水平方向及平行节理方向,0°与90°节理试件剪切裂纹沿水平方向扩展直至贯通试件,30°、45°与60°节理试件剪切裂纹扩展方向与自身节理角度一致。     

遍布节理模型在层状岩体模拟中的适用性研究

为弥补遍布节理模型未考虑节理长度、间距及节理刚度的不足，利用三轴压缩数值试验和参数校准准则，对有限差分软件FLAC3D中的遍布节理模型进行参数校准. 通过圆形洞室开挖的算例，对比分析了遍布节理模型与3DEC块体离散元模型的计算结果在位移、塑性区以及最大主应力上的差异. 依托具有典型层状围岩的新华山隧道工程，采用校准的遍布节理模型和离散元方法分析隧道开挖和初期支护后的力学响应. 最后探讨了层理角度对围岩变形和塑性区的影响，进一步验证校准后的遍布节理模型在工程中的适用性. 研究表明，经过校准的遍布节理模型能够较好地描述层状岩体的各向异性行为，可应用于类似工程之中.     

大型地下洞室多层耦合施工方法

采用FLAC3D软件模拟分层拟作法和多层耦合工法,开挖某特殊用途大型地下洞室全过程,分析开挖引起的围岩变形、应力和塑性区分布状况.发现多层耦合法可以减小塑性区分布范围,开挖各工况围岩稳定性良好,可作为大型地下洞室安全施工的一种工法.通过模拟多层耦合法在Ⅲ、Ⅳ级围岩和不同地应力条件下的施工效果,研究该工法的地质条件适用性.相对而言,围岩质量是更敏感的影响因素,对围岩稳定性影响更大;构造应力场条件下围岩变形和塑性区显著增大.     

含水软弱夹层地下洞室稳定性模型试验研究

软弱夹层是影响岩体稳定性的重要薄层,是造成工程灾害的原因之一,研究其特征具有重要工程意义。为探索软弱夹层特征对地下洞室稳定性的影响,以夹层含水状态、夹层位置和夹层厚度为因素,通过自研的杠杆式平面应力模型试验系统进行多工况对照模型试验,分析了不同工况下开挖和蠕变试验阶段洞周各测点的应力和表面收敛变形量的变化规律。试验结果表明：进行开挖时,开挖轮廓正上方测点的垂直应力下降,临近洞肩测点应力上升,离洞室越远,开挖影响越小;开挖结束后,应力呈增加趋势,动态调整幅度减小,最终趋稳;洞室开挖时,模型表面洞周各测点主要表现为竖直收敛变形,开挖贯通后,依然是竖直收敛变形为主;开挖试验阶段和蠕变试验阶段,软弱夹层特征对地下洞室稳定性的影响程度为：软弱夹层含水状态>软弱夹层位置>软弱夹层厚度。在具有软弱夹层的地下洞室工程,特别是软弱夹层含水时,应采取疏通排水等措施控制软弱夹层对地下洞室稳定性的影响。     

溧阳水电站地下厂房开挖破坏机理数值模拟研究

为研究溧阳水电站地下洞室开挖围岩稳定性,以地下厂房开挖时提供的地质条件和勘察资料为基础,结合完整岩块的强度试验成果,采用颗粒流数值模拟方法研究厂房在破碎岩体中开挖的破坏机理.研究表明,颗粒离散元方法可以较好地模拟地下洞室开挖情况;联合开挖时,出现明显的贯通变形区,且并非距离开挖面越近围岩变形越大;厂房开挖破坏模式为岩体结构控制型破坏,其导致围岩破坏的决定性因素是岩体结构特征.     

洞室群围岩应力集中效应放大现象的数值模拟

为了研究洞室群开挖过程中围岩应力集中效应放大现象的变化规律,本文根据不同的截面形状、不同的水平距离、不同的空间位置,利用3D-Sigma软件设计了4组洞室群模型,第1组包含5个模型,其他组均包含3个模型,以此来模拟后期开挖洞室的不同布置方案对前期洞室的影响规律.通过在拱顶、拱底和左右拱脚等部位设立应力监测点,得到了后期洞室群开挖过程中前期洞室围岩中代表性部位应力值的变化.最后从最大主应力和最小主应力两个方面,详细分析了开挖过程中随着洞室间距以及后期开挖洞室位置的变化洞室群围岩应力集中情况,得出了洞室群开挖过程中围岩应力集中效应的放大规律.该规律对深部洞室群稳定性控制具有指导意义.     

三维贯通节理对大跨隧道围岩稳定性的影响

为了探究贯通节理对大跨隧道围岩稳定性影响规律,运用3DEC软件结合离散元强度折减法,以剪切滑移区面积指标为稳定性判据计算大跨隧道围岩安全系数,分析三维状态下节理的走向、倾角、间距、力学参数对围岩稳定性的影响规律。研究结果表明：在大跨隧道围岩中,节理倾向影响稳定性程度由大到小依次为X向、Z向、Y向,仅有单向节理时,ψ>60°时围岩较不稳定;在双向节理组合下,节理倾角致使隧道失稳的经验判别式;节理间距对大跨隧道稳定性的影响程度根据不同块体形状而产生差异,拱顶分布长条形块体时影响最大,洞周分布尖条形块体时影响最小;节理力学参数对大跨隧道稳定性影响程度由大到小依次为内摩擦角、法向刚度、切向刚度、黏聚力;大跨隧道围岩节理倾角由水平到垂直的过程中,围岩变形破坏由拱顶沉降、拱底隆起转变为以拱顶、拱肩大变形及滑移为主。研究结果可为节理岩体中大跨隧道围岩稳定性判定及支护优化提供借鉴。     

低地应力区地下洞室开挖后围岩应力数值模拟

以西北地区某水利工程地下洞室工程为例,采用弹塑性二维有限元法对低地应力区地下洞室围岩开挖后围岩应力进行了数值模拟研究,模拟出了低地应力区地下洞室围岩开挖后围岩应力值及其分布规律.结果表明,低地应力区地下洞室开挖后洞室围岩形成应力集中现象,侧壁位置处产生的压应力值大于洞顶位置压应力值,且洞顶产生拉应力.该研究成果将有助于进一步研究低地应力区地下洞室围岩变形破坏机理及其稳定性,对保障地下洞室工程的圆满进行具有重要的理论价值和现实意义.     

大型地下洞群的地震动力稳定性分析

节理岩体开挖后经常形成楔形块体,对大型地下洞室顶拱和边墙的稳定性构成威胁.地震的动力作用将加剧块体的运动,进而影响洞室的整体稳定性,合理地评价高烈度地区大型地下洞室的稳定性具有现实意义.节理岩体中地下结构的动力响应与稳定性分析目前研究较少.本文采用了动力离散元法分析了大型地下洞室群的动力响应,认为地下结构并不能完全免于震害,高烈度地震对于节理岩体中的地下结构有明显影响.     

基于损伤的黏聚力弱化-摩擦角强化模型对大型地下洞室群围岩稳定性的影响

岩体的峰后强度对大型地下洞室群围岩开挖变形稳定具有较大影响.针对此问题,采用基于损伤的黏聚力弱化-摩擦角强化(cohesion weakening and friction strengthening,CWFS)模型并以动态链接库(dynamic link library,DLL)的形式植入FLAC3D程序中,针对依托工程的大型地下洞室群围岩开挖稳定性,开展考虑围岩开挖损伤和不考虑损伤的开挖全过程模拟.通过分析围岩的变形、应力、塑性区与损伤区的规律及其与现场监测数据的对比,研究开挖损伤对围岩稳定性的影响.结果表明:考虑围岩开挖损伤相对于不考虑损伤时,围岩应力释放程度较高,不利于地下洞室群的稳定;围岩塑性区和变形在主厂房顶拱与边墙等区域增加至1.5～2.0倍.CWFS模型能有效反映围岩塑性屈服的诱因,即损伤系数在0.5～1.0范围内为开挖卸荷导致的屈服,损伤系数在0～0.5范围内为开挖损伤导致的屈服;采用该模型得到的围岩开挖变形在量值上与采用多点位移计得到的现场监测值相近,变化趋势基本相同,不考虑围岩开挖损伤时得到分析结果相对于实际工程偏危险.     

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。     

某抽水蓄能电站地下洞室群围岩三维稳定分析

某抽水蓄能电站地下厂房为大跨度、高边墙地下洞室群,地质条件复杂,分布软弱夹层,高边墙及洞室间岩体的稳定性是洞室设计的关键因素。根据水压致裂法地应力测试数据计算侧压力系数,构造初始地应力场,按照开挖顺序建立三维弹塑性计算模型,分析地下洞室群围岩应力与变形特征、塑性区分布,评价了地下厂房洞室群围岩稳定性,为洞室设计提供科学依据和基础数据。     

不同岩石数值计算材料下的洞室稳定对比分析

利用数值模拟分析软件,研究了不同岩石材料下的洞室稳定性。结果表明:(1)由于岩体屈服变形的影响,弹性材料下洞壁围岩最大主应力极值最高,弹塑性材料次之,弹脆性材料极值最低。(2)三种材料下地下洞室开挖后最小主应力量值分布基本相似,环洞壁方向量值接近于0。(3)弹性、弹塑性及弹-脆-塑性三种材料所对应的位移情况基本相同,变化规律亦基本相同。(4)洞室围岩不稳定部位,弹性模型计算时稳定系数低于1.0,弹塑性及弹-脆-塑性量值为1.0。采用数值软件模拟分析洞壁围岩稳定时,选用不同材料时应注意相应的取值。     

孟底沟水电站导流洞堵头全工况稳定性分析及长度优化

孟底沟水电站导流洞堵头段断层、节理裂隙发育,地质条件较差,堵头挡水水头高,边界条件复杂,且封堵工期紧张,急需对导流洞开挖、施工及运行全过程稳定性进行研究.采用三维非线性有限元法,模拟导流洞洞室开挖、衬砌施工、堵头施工以及堵头运行全过程,得出以下结论:①洞室开挖过程中,围岩基本稳定,局部围岩较差的部位存在局部失稳的可能,建议局部采取锚固、灌浆等措施;②运行期围岩、堵头整体稳定,衬砌结构满足抗压强度要求,局部衬砌拉应力超过抗拉强度,需加强配筋;③长度40 m与50 m的堵头上游段推力分担比基本一致,建议堵头长度在40 m以上.研究成果可为孟底沟水电站导流洞堵头的设计施工提供参考.     

水力耦合条件下预制节理砂岩裂纹扩展和能量演化细观数值模拟

为了研究水力耦合作用条件下预制节理砂岩三轴压缩裂纹扩展和能量演化规律,建立预制节理砂岩流固耦合数值模型,得到预制节理砂岩应力-应变曲线.通过分析平行黏结破碎演化过程,获得不同预制节理角度下微裂纹发育规律.基于颗粒流程序(PFC)离散元能量追踪体系,研究得到各细观能量变化响应和能量耗散与转换规律.分析结果表明:预制节理角度越大,试样峰值强度越大,侧向变形和轴向变形峰值应变先增大后减小,在预制节理角度为60°时取得最大值;平行黏结破碎起始于预制节理,进而扩展贯通,次生黏结破碎带始于节理面直至贯穿试样边界;试样的黏结能峰值和应变能峰值均与预制节理角度成正比,黏结强度峰值应变和应变能峰值应变与预制节理角度成反比;耗散能主要表现为摩擦作用,整个加载过程中弹性应变能吸收率最大.     

低地应力区地下洞室拱顶围岩拉应力有限元数值模拟研究

采用弹塑性二维有限元法，以西北某市水利地下工程泄洪洞为例，对低地应力区洞室围岩开挖后拱顶拉应力进行了数值模拟研究，并总结分析了低地应力区地下洞室围岩开挖后拱顶拉应力及其分布特征。该项工作的实施，将有利于进一步研究低地应力区洞室围岩稳定性与围岩变形破坏机理。它将对保障地下工程的圆满进行具有极为重要的理论价值和现实意义。     

应用边界元方法求解地下洞室三维开挖问题

将边界元方法和FORTRAN语言相耦合,完善了三维线弹性无限域问题的边界元方法源程序。利用此程序计算并分析单条地下洞室开挖、双条平行洞室开挖、双条正交隧洞开挖三维应力场和位移场分布,洞室周壁的应力集中系数,洞室周壁的位移变形规律,给出了洞室周壁岩体的稳定性。得到的一些结果可以对实际工程做定性指导。     

复杂岩体介质动态耦合变形特征综合分析

西龙池地下洞室群围岩呈缓倾角互层状结构，层理发育，岩性复杂，洞室开挖过程中，各种地质因素交互作用，洞室间相互影响，本文对复杂变化地质环境下的主厂房围岩进行了各种因素耦合作用下的综合稳定分析，并依据多种测试手段，对开挖后围岩的稳定性和变形进行实时监测，掌握了岩体介质动态耦合变形破坏特征。