大型地下洞室群地震模拟振动台试验研究(Ⅰ):岩体相似材料配比试验

结合大型地下洞室群地震模拟振动台模型试验研究,根据相似原理,利用正交试验和二次细化试验相结合的试验方法,对岩体相似材料进行配比试验。选用铁精粉、重晶石粉和石英砂作为骨料,石膏为胶凝材料,甘油为调节剂。正交试验以相似材料的密度、抗压强度和变形模量为控制指标,通过极差分析得到各影响因素的重要程度,并在此基础上进行二次细化试验,二次细化试验增加测试相似材料的抗拉强度。这种组合试验方法可通过较少的试验次数得到符合相似指标要求的材料配比,大大提高了配比试验的效率。试验得出的相似材料配比与物理力学指标的变化规律及运用组合试验高效确定具体配比的方法,对类似工程动静力模型试验相似材料模拟具有一定的参考意义。     

洞室结构对龙游大型古地下洞室群长期稳定性影响的研究

龙游大型古地下洞室群开挖于白垩系衢县组泥质粉砂岩中,具有大跨度、超浅埋、支撑小和稳定时间长等特点。根据现代岩石力学观点,该洞室群是不足以保持上千年稳定的。这一看似违背现代岩石力学观点的客观现象引起了诸多学者的关注和深入研究。本文即是基于上述考虑,致力于揭示该洞室群得以保持上千年稳定的机理。通过现场调查发现,该洞室群具有斜顶、斜墙、鱼尾形岩柱及柱托等特殊结构,该结构是古人偶然为之还是精心设计？其是不是使洞室群得以保持长期稳定的决定性因素？本文通过数值计算对其进行回答。计算结果表明,斜顶设计能较好地解决浅埋问题,鱼尾形岩柱和柱托有利于洞室稳定,斜墙设计有利于改善洞室围岩的应力状态,从而得出了洞室群的特殊结构是使洞室保持长期稳定的决定性因素的结论。     

某大型地下洞室群围岩稳定性分类研究

根据地下洞室群的特点 ,选取岩体质量综合级别、块体状况、开挖位移及破坏区、岩爆烈度四因素为分类指标 ,建立了大型地下洞室群围岩稳定性分类体系。针对不同稳定性等级 ,提供了相应的开挖方式和支护处理建议。最后 ,运用该分类体系对某地下洞室群的主厂房进行了分析评价。     

大型地下洞室群开挖模拟中的特殊现象分析

运用几种通用数值分析软件对一系列大型地下洞室群开挖模拟时，发现一种特殊现象——“反向位移现象”。本文首先对这种现象进行了详细的描述，然后分析了这种特殊现象出现的原因，并提出了相应的防止措施。     

充水对龙游大型古地下洞室群长期稳定性影响的研究

对龙游大型古地下洞室群的现场调查表明:完整地下洞室群均充满水,而非完整地下洞室群均未充满水或未充水,直观结论即充水是使洞室群保持上千年完整的重要因素之一。本文对充水洞室与非充水洞室内凿痕进行了定性和定量对比,结果发现洞内充满水可以减缓洞室围岩的风化速度。通过对围岩的受力情况以及洞室顶板的垂向的对比分析表明,洞室充满水,一方面可以有效地改变洞室围岩的受力:减少拉应力单元以及减小最大拉、压应力值; 另一方面可以减小顶板的下沉量,对洞室的稳定极为有利。而洞室内部分充水或未充水,对洞室顶板围岩的应力改善作用不明显,反而加大洞室顶板的Z向位移,不利于洞室稳定。从而肯定了洞内充满水是使龙游大型古地下洞室群保持千年稳定的重要因素。     

节理岩体大型地下洞室群稳定性分析

深入研究了加锚节理面的变形特点和节理面附近锚杆的变形特点;把断裂力学与损伤力学相结合,采用应变能等效的方法,建立了加锚断续节理岩体在压剪应力作用下的本构关系;按自洽理论的方法,得到了加锚断续节理岩体在拉剪应力状态下的本构关系,并将其理论模型应用于某大型地下厂房的三维稳定性分析中。应用加锚断续节理岩体断裂损伤模型模拟锚杆的支护效应,锚杆通过与围岩的联合作用,有效地限制了围岩变形,改善了围岩的应力状态,阻止了围岩破损区的发展演化,从而提高了围岩的稳定性。将断裂损伤计算结果与一般弹塑性（FLAC3D）计算结果进行了对比分析。相比于普通的弹塑性模型,加锚断续节理岩体断裂损伤模型考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,以及锚杆针对节理裂隙的加固作用,能更好地反映裂隙岩体洞室围岩稳定性特征,从而验证了该模型的有效性和优越性。     

龙游大型古地下洞室群1～5号洞水文地质与工程地质条件研究

一个超浅埋大型古地下洞室群于1992年在浙江省龙游县被四个农民发现。该洞室群的发现引起了各方面专家和学者的广泛关注。但从发现至今已出现了多种破坏现象,如顶板脱落、洞间壁坍塌、柱子拉张或剪切破坏以及由于渗水导致的洞室围岩的干湿交替引发的风化现象等等。本文从工程地质调查入手,对龙游古地下洞室群的工程地质条件、水文地质条件等进行了分析,为下一步的保护工作提供地质基础。     

地震作用下大型地下洞室群位移特征的若干影响因素分析

利用三角级数叠加法,考虑到基岩场地的深度衰减效应,生成了大型地下洞室群非平稳人工地震动加速度时程。然后利用动力时程分析法,对大渡河某水电站大型地下洞室群进行了非线性地震动力响应分析,研究在不同频谱人工地震波作用下地应力特征、峰值加速度和频谱对大型地下洞室群位移特征的影响。分析结果表明,地下洞室群相对位移随着侧压力系数和峰值加速度的增加而略有增加,不同频谱的地震波有着截然不同的位移特征。研究成果对高地震烈度区地下洞室群抗震稳定性分析具有一定的借鉴意义。     

安徽花山古代大型地下洞室群工程地质条件与变形破坏规律研究

本文从工程地质条件和岩石力学两方面对古洞室群围岩的变形破坏规律，特别是支顶岩柱拉裂和剪裂破坏及顶板掉块等进行了研究，对洞室群的稳定性做出了初步评价。在此基础上，提出了以防止地表水沿裂隙入渗和建立一个高效监测系统为主要手段的建议。     

深度衰减效应对大型地下洞室群强震响应的影响分析

介绍了大型地下洞室群强震反应分析所需要输入地震波的选用原则,重点考虑了场地的深度衰减效应,同时提出了一种假设来确定地震危险性分析提供的峰值加速度的所在位置。选用了两组攀枝花实测地震记录,同时利用三角级数叠加法综合考虑了深度衰减效应,合成了一组人工地震动,使用ABAQUS软件对某水电站大型地下洞室群进行了二维非线性强震动力时程数值计算分析。结果表明：生成的地震波能较好地模拟地下洞室群的地震响应,深度衰减对地震响应结果有明显影响,不同频谱的地震波相对位移-时程差距较大,但频谱参数的影响还有待于深入研究。研究成果对大型地下洞室群地震动输入问题研究具有一定的指导意义。     

大型地下洞室群开挖支护弹塑性损伤优化研究

正在设计施工的某大型水电站地下洞室群地质条件复杂,其开挖支护方案对围岩稳定性非常重要,因此,对支护方案进行优化研究非常必要。为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤模型和损伤演化方程,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM,具有模拟开挖与支护、计算速度快、群组功能等特点。建立大型地下洞室群三维数值模型,将通过实测地应力反演的应力作为初始地应力。采用D-FEM模拟了不同支护方案洞室群的施工过程,通过分析洞室围岩的应力、位移和破损区,支护方案2的支护效果最好,建议采用此方案。考虑岩体损伤演化后与FLAC3D塑性区相比,洞室群边墙中部的破损区显著增加,因此,程序可应用于地下工程的稳定性分析     

大型地下洞室群地震动输入机制探讨

当前地下工程地震稳定性分析中对地震响应规律研究较多,而对分析中地震动输入机制研究则明显不足。本文针对这一现状,对大型地下洞室群地震响应分析中的地震动输入机制进行了一定的讨论。首先提出将分析中所涉及的地震动分为指定的实测强震记录、优选的实测强震记录、人工地震波3类,分别讨论了每种地震动的选取方法,形成了一套实用性较强的选取流程。随后提出了对设计地震动基准面(点)的建议,并研究了基于基准面(点)的人工边界输入地震动量值的确定方法,形成了适用于高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动输入方法。将上述地震波的合理选取方法和高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入方法相组合,最终形成了一套可操作性较强的高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入机制。最后以白鹤滩水电工程地下洞室群为工程实例,对本文提出的地震动合理选取方法和高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入方法进行了工程应用,表明本文的方法为工程抗震设防分析提供了优质的地震输入参数。     

锦绣黄岩蟠龙洞古地下洞室群的科学发现及初步分析

位于浙江黄岩的蟠龙洞是古人采石后遗留下来的一座大型地下洞室群,目前已被开发为锦绣黄岩旅游区。实地量测表明,洞室群中的3号洞高达64.3m,是世界上目前已知大型古地下工程的最高者。作者对该古地下工程数百年不倒的原因进行了初步分析,并发现了诸多蕴藏于其中的古代朴素科学思想和高超技术。     

基于三维地质模型的地下洞室群地震动力响应分析

工程区域地质条件是影响地下洞室群稳定的重要因素,而通用数值分析软件在建立复杂地质模型时存在建模时间长、准确度低、不能真实反映复杂地质特征等困难。针对此问题,采用以非均匀有理B样条（NURBS)为主的混合数据结构,对复杂区域地质构造进行了三维建模,建立了西南某水电站大型地下洞室群的三维地质模型。并以此模型为基础,建立了包括空间曲面断层、地层等复杂地质因素的数值模型,结合ABAQUS的隐式和显式分析,对洞室开挖和地震作用下的动力时程响应进行了仿真分析。分析结果表明,该方法不仅较大程度地反映了实际地质情况,而且有利于数值仿真分析的网格剖分与计算,从而为分析地下洞室群地震反应提供了三维数值模型,为地震作用下洞室的安全性评价提供了重要的技术支持。     

近断层地震动对大型地下洞室群地震响应的影响研究

针对现行水工抗震规范中对近断层地震缺乏考虑这一实际问题,首先讨论了近断层、远场地震动的差别,对比了近断层、远场地震动对地下洞室地震响应的影响,继而提出一种新的人工合成近断层地震动时程的方法,并采用合成的近断层地震动时程对某水电站地下洞室群进行了近断层地震稳定性专门研究。结果表明：与常规地震分析中考虑的远场地震动相比,近断层脉冲型地震动的主要特征为Vmax/Amax和Dmax/Amax（Vmax、Dmax、Amax分别为速度峰值、位移峰值、加速度峰值）指标更大,且近断层脉冲型地震动的主要能量集中在1 Hz以下的频段;在相同峰值加速度幅值、相同反应谱的前提下,近断层地震动对高边墙、大跨度地下工程的破坏程度远比远场地震动大;较之前人的研究方法,文中提出的近断层脉冲型地震动合成方法考虑了[1/Tp, 1] Hz这一频段内的地震波信息,更具合理性;在设定的计算条件下,地下厂房洞室群有在近断层地震动作用下发生失稳的危险性,需要进一步针对近断层地震动进行专项风险性评价,以讨论是否需要增设针对性的抗震支护措施。     

高山峡谷地区大型地下洞室群非平稳人工地震动拟合

基于近场地震记录频谱分析,结合地震危险性分析得到的基岩场地反应谱,进行了高山峡谷地区大型地下洞室群的人工地震动加速度时程的合成。该方法使用三角级数迭加法,利用攀枝花地震动记录进行傅里叶变换,得到离散点的傅里叶幅值谱,选择两个卓越频率作为控制傅里叶谱的峰值控制点,通过反复迭代生成了初始人工地震波,根据高山峡谷地形进行了深度修正、基线校正和高频滤波,最终生成了可以用于FLAC和ABAQUS等数值分析软件的人工地震动加速度-时程。数值分析表明,此方法拟合的人工地震波可以较好地反映不同频谱对地下洞室群强震响应的影响。     

地下洞室群随机地震响应研究中传递函数的应用探讨

在证明随机响应的统计参数可以用传递函数进行直接表达的前提下,将传递函数引入地下洞室群随机地震响应研究中,对白鹤滩水电工程13#机组剖面地下洞群进行了随机地震响应分析,并对之进行了地震动力可靠度的探讨。结果表明：较之常规方法,基于传递函数的方法除可得到洞室群的随机地震响应以外,还可同时得到洞室群的地震响应频谱特性,并可以直接利用传递函数得到确定性地震动输入下洞室群的响应值进行验证,显示对问题的研究具有更加深刻的优势;将所得到的随机地震响应结果与基于传递函数的确定性估算结果,与实际时程计算得到的确定性结果比较,吻合良好;首次采用超越破坏理论对地下洞室群进行地震动力可靠度分析的可行性,为地下工程抗震可靠度计算中如何以动力方式考虑地震荷载的随机性提供了一些新思路。     

澜沧江某电站左岸地下洞室群围岩稳定性的FLAC~(3D)分析

在岩体结构模型概化的基础上,采用FLAC3D数值分析方法,系统研究了澜沧江某大型水电站大跨度、高边墙地下洞室群开挖完成后围岩的二次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征。总结了地下洞室群围岩应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律,为洞室群稳定性评价和工程施工设计提供了基础资料和参考依据。     

澜沧江某电站左岸地下洞室群围岩稳定性的三维数值模拟

在岩体结构模型概化的基础上 ,采用三维有限元数值分析方法 ,系统研究了澜沧江某大型水电站大跨度、高边墙地下洞室群开挖完成后围岩的二次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征。总结了地下洞室群围岩应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律 ,为洞室群稳定性评价和工程施工设计提供了基础资料和参考依据。     

温岭大型古地下采石场长屿硐天凌霄硐洞室群工程地质条件评价

世界地质公园大型古地下采石场长屿硐天位于浙江省温岭市新河镇。据调查,这一由28个洞室群,占地面积约16km2的大型古地下采石场的采石史可追溯到1500a前的南北朝。凌霄硐洞室群是上述28个洞室群之一。其主洞的高度、跨度分别达55m和28m。问题是这些巨型洞室何以千年不倒,为了回答这一问题,也为了为这些重要古洞室的保护和安全旅游提供基础资料,本文开展了以凌霄硐为例的有关长屿硐天大型古洞室群的工程地质条件的研究。