软弱夹层分布部位对洞室稳定性影响研究

应用奥地利大型岩土工程有限元分析系统FINAL研究了软弱夹层分布部位(拱顶、拱肩、边墙)对地下洞室围岩稳定性以及喷锚支护结构受力性状的影响。数值试验研究采用FINAL中独有的模拟接触面的COJO单元,该单元能够准确地反映软弱夹层在地下洞室开挖过程中的力学特性;数值试验成果对地下洞室的选址、支护结构的设计以及施工设计等具有广泛的借鉴意义与指导作用。     

软弱夹层厚度模拟实用方法及其应用

 围岩中分布的软弱夹层对地下洞室围岩稳定性、支护结构安全性有着重要的影响,以软弱夹层的变形、强度等效为出发点,基于接触面单元和软弱夹层影响带概念,提出一种在固定的有限元网格中模拟不同厚度的软弱夹层的实用化模拟方法,并初步验证该方法的合理性、正确性、实用性;利用提出的模拟方法,以奥地利岩土工程有限元分析软件FINAL为平台,系统分析地下洞室分别位于II,III,IV级3种围岩,软弱夹层分别分布在顶部、拱肩、边墙3种不同部位,软弱夹层厚度分别为0.000D,0.005D,0.010D,0.020D,0.200D 5种厚度等条件下,软弱夹层对洞室围岩位移场、应力场、塑性区以及喷层结构受力的影响,着重讨论不同软弱夹层厚度条件下,围岩位移场、应力场、塑性区及喷层内力随夹层厚度的变化差异;总结当前试验条件下,软弱夹层厚度对地下洞室围岩稳定性与支护结构安全性影响的一般规律;研究成果可望为地下洞室的规划、设计、施工,尤其是遭遇软弱夹层等特殊工程条件下的设计、施工、维护等提供一定的参考与指导作用。     

软弱夹层对隧道围岩稳定性影响规律研究

宜巴高速公路石门垭隧道具有地质条件复杂、围岩软硬交替、高地应力等特点,施工过程中常发生围岩层状剥落、侧墙滑塌等现象,严重威胁隧道施工安全。为确保施工安全,有必要采取一些措施为实际施工提供技术指导,采用FLAC^3D有限差分法分析软件,模拟分析了隧道含不同倾角及位置的软弱夹层时围岩的稳定性,通过分析围岩位移场、塑性区及应力场的分布特征,得出了软弱夹层倾角及位置对隧道围岩变形、破坏区及应力分布的影响规律。所得结论可为同类隧道的设计、施工和研究提供借鉴和参考。     

含软弱夹层层状围岩地下洞室平面非线性有限元分析

对含软弱夹层的层状围岩建立有限元计算模型,提出层状岩体与软弱夹层按横观各向同性材料,层间接触面则以带转动自由度的Goodman接触面单元进行摸拟,通过对工程实测数据和弹塑性非线性有限元计算结果进行对比分析证明其是合理的。     

渗透系数各向异性对地下水封洞室涌水量影响的数值模拟分析

为了分析洞室涌水量,本文运用数值模拟技术建立了研究区地下水的三维数值模型.在模型中综合考虑了基岩裂隙含水介质渗透系数(K)的各向异性,应用水均衡计算分析了不同Kv/Kh比值条件对洞室涌水量的影响.结果表明:随着Kv/Kh比值增加,洞室涌水量也相应有所增加;Kv/Kh比值的变化对洞室涌水量的变化趋势影响不明显;不同Kv/...     

地下洞室开挖对地表建筑的影响

针对地下洞室开挖可能会对地表建筑产生的影响,通过离心模型试验研究了开挖后附近土体的沉降情况,并通过数值模拟研究了地表建筑物的位置、高度和宽度对这种沉降的影响。试验得到了土体中的标志点在开挖过程中的时程曲线,并得到了最终地表的沉降曲线与沉降云图。数值模拟得到了地表建筑物的最大相对沉降和最大水平应变与其位置、高度和宽度的关系。结果显示,当地下隧道恰好从建筑物正下方穿过时,地下隧道顶部的沉降量与水平应变最大;但当地下隧道从建筑物附近穿过时,地表建筑基础的倾斜率可能会更大。     

西龙池地下洞室围岩的现场监测及其稳定性分析

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，洞室问相互影响。对复杂变化地质环境下的主厂房围岩进行了各种因素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，掌握了洞室层状围岩变形破坏特征。以地下洞室开挖为算例，研究了围岩的力学动态，得出一些有益的认识和结论。围岩位移量计算结果与监测数据较好吻合，为施工开挖步序提供了可靠的依据。     

大型地下洞室围岩稳定性的岩体结构控制效应研究

大型地下洞室围岩稳定性问题突出表现为大跨度、高边墙的巨大开挖面与岩体结构面组合而产生的围岩块体稳定性问题以及岩体结构对围岩变形破坏的控制和变形量预测问题.本文以三峡水电工程地下厂房为实例,通过大量的现场调查和实验及模拟分析,开展了大型地下洞室围岩稳定性评价中的岩体结构控制效应研究,重点是岩体结构对岩体质量及其宏观力学特性的控制效应.研究中以结构面网络模拟的结果为基础,以模糊信息优化技术、拉格朗日有限差分法、分形几何、损伤力学等技术、方法、理论为手段,初步解决了大型地下洞室的不同具体工程部位岩体质量及其岩体宏观力学参数的评价问题,为工程实践中这类问题的解决探索了一条新途径.论文主要内容包括以下几个方面:博士学位论文(1) 应用系统工程层次性理论,确定地下厂房区岩体结构面的分类原则和描述体系,通过对厂房区岩体结构面的系统调查、分类、统计研究,建立厂房区岩体结构面的确定性层次模型和统计模型.(2) 系统研究厂房区宏观贯通性结构面的工程地质特性及其工程控制效应,确定地下厂房中由控制性结构面和开挖面组合所产生的大型几何可移动块体的空间分布、规模、稳定状态及因素敏感性.(3) 通过对短小、断续性结构面统计特征的研究,将地下厂房区划分为5个岩体结构统计均质区,应用结构面网络模拟技术,研究各个岩体结构均质区结构面的发育分布特征,并以此作为岩体质量及其宏观力学特性研究的基础.(4) 在结构面网络模拟计算结果的基础上,应用模糊信息优化技术研究了厂房区各个岩体结构分区的岩体质量并与岩体基本质量指标[BQ]研究法、岩体质量指标RQD值研究法作了对比,结果表明以结构面网络模拟结果为基础,应用模糊信息优化技术进行岩体质量评价能够取得很好的效果.(5) 通过对已有的现场大型岩体变形试验结果的分析及相应试验点岩体结构分形特征的研究,建立了结构面分布的分形维数和岩体变形指标间的相关关系,并应用这种相关关系根据结构面网络模拟及分形维数计算结果确定缺少试验结果的地下厂房各具体工程部位的岩体变形指标而且应用于围岩稳定性计算.(6) 通过应用拉格朗日差分法对岩体强度指标的数值分析并与按连通率加权平均计算法及现场实验结果对比表明:模拟岩体力学实验与现场实验相结合可以简便易行地达到评价复杂岩体不同具体工程部位岩体强度参数的目的;按连通率加权平均计算法在考虑合理的折减系数情况下,可以简单快速地对缺少现场大型试验结果的具体工程部位实现岩体强度指标的估计.在此基础上研究了地下厂房各个岩体结构分区的围岩强度参数并应用于稳定性计算.(7) 通过结构面网络分形维数的研究,应用分形损伤耦合分析方法,研究了厂房区岩体的损伤特征,并引入"损伤度”的概念,建立了基于岩体损伤特征的岩体质量评价指标体系.(8) 分别应用二维及三维有限元数值模拟技术,研究了主厂房开挖后围岩二次应力场重分布的规律及岩体的变形破坏特征,从而对厂房开挖后围岩稳定性状况得出了明晰的认识.     

深部地下洞室施工期围岩大变形机制分析

大岗山水电站引水发电系统地下洞室埋深大,花岗岩因风化卸荷强烈,岩脉破碎带发育,应力较高。在施工过程中,岩脉、断层穿越的主变室部位出现较大的变形,严重影响施工安全与进度。采用地质调查和现场监测的方法,结合现场施工情况分析主变室围岩大变形特征和机制,提出2种可能的大变形破坏模式,分析影响围岩大变形的因素,并评价主变室的稳定性。研究结果表明:主变室围岩大变形主要受辉绿岩脉8 1和断层f59,f60控制,同时,地应力高、施工强度大、支护进度滞后加剧围岩的大变形。深部地下洞室施工期的地质调查及现场监测可以及时预测高应力区卸荷围岩的大变形,以确保洞室施工期的稳定安全。研究成果对类似工程具有重要的参考价值。     

软岩巷道软弱夹层对巷道稳定性影响的数值模拟分析研究

软弱夹层对巷道开挖过程中的稳定性产生重要影响。本文通过数值模拟分析软件FLAC3D,分析了不同应力分布情况下软弱夹层的存在对巷道围岩的应力、变形分布情况的影响。通过现场实践验证,总结了针对存在软弱夹层的巷道围岩稳定性控制的几点建议。     

隧洞围岩损伤演化与时效破坏过程的模拟分析

依据对岩石长期强度的认识,基于环境因素影响下岩石强度、弹模等物理力学性质随时间劣化及其内部细观损伤积累等观点,应用RFPA数值模拟方法,模拟了隧洞围岩的时效破坏过程,并与相应的物理模型试验结果进行了对比。隧洞数值模拟试验得到了拱顶、拱底以及两侧帮的时效变形特征曲线,与实际物模试验结果表现出了较好的一致性,并且发现隧洞围岩宏观破坏是细观损伤实时演化及逐步积累的最终表现。进一步模拟分析了侧压系数对隧洞时效变形破坏特性的影响,模拟结果显示,随着侧压系数的增大,隧洞左右边墙间的闭合位移逐渐增大,而隧洞拱顶拱底间的收敛位移随侧压系数的增大逐渐减小,并对隧洞围岩的局部的细观损伤演化过程及宏观时效破坏模式做出了清晰的解释。     

爆破震动下地下工程围岩稳定与支护设计

随着我国地下工程的大量建设,在新建硬岩隧道与既有隧道间距较小的情况下进行爆破开挖,产生的爆破震动波会危及隧道支护结构的安全和稳定。因此,研究隧道爆破开挖对既有隧道和开挖隧道支护结构的稳定性影响,具有重要的理论意义和工程实用价值。本文运用便携式微机控制数字输出测震仪进行爆破震动测量,同时,采用软件进行非线性数值模拟计算,分析隧道爆破开挖对既有隧道和开挖隧道支护衬砌的影响,讨论爆破震动影响下隧道支护方式的优化。     

软弱围岩隧道掌子面挤出变形特征分析

软弱围岩在隧道工程中经常遇到,它的空间大变形特征受台阶长度、台阶高度、工法及地应力水平等条件的影响。结合兰渝铁路两水隧道现场监测和数值模拟相结合的方法对软弱围岩隧道的空间变形特征进行了详细分析。研究结果表明:围岩越弱掌子面纵向挤出变形大小及变形速率越大,掌子面挤出变形受上台阶断面开挖高度和围岩级别影响较受台阶长度影响显著;在洞周先行变形中,拱顶下沉较水平收敛更加明显;初始地应力场应力水平增高,隧道掌子面挤出变形会大幅增加。研究结果可为指导隧道的施工和设计提供有效依据。     

基于岩体动力损伤的地下工程施工过程数值分析

在大型地下工程爆破、开挖及支护施工过程中,采用数值分析方法预估围岩开裂深度及爆破损伤程度对工程设计和施工可以起到事先指导的作用。采用考虑累积应变和荷载作用时间的Yang-Liu率相关动力损伤模型,定义与裂纹扩展密度相关的损伤系数,将损伤特性反映在荷载增量迭代计算中,形成弹塑性损伤本构模型。论述了爆破荷载和开挖荷载的计算、施加及迭代方法,可以合理反映爆破对围岩稳定的影响以及初始地应力释放、锚固支护施加的时机和效果。通过工程实例的计算,得出了某水电站地下洞室在爆破荷载、开挖荷载和锚固支护作用下应力场、变形、破坏区及损伤系数的分布规律,分析结果可以为工程设计提供依据。     

深部地下空间周围岩体性能研究浅探

目前,我国防护工程的动力计算和设计理论都是建立在连续介质波动力学基础上的,这些方法和理论无法解释开发深部地下结构时出现的一些现象。作者从深部岩体的结构、变形、高应力状态及其结构与介质的相互作用出发,总结出深部岩块体系的五个特点,并探讨了其应用前景。     

深埋隧洞中高水压对致密围岩变形的影响程度

在深埋高围压、高水压岩石工程中,合理分析高水压对围岩的影响程度,对控制工程成本具有重要意义。为了研究高水压力对围岩稳定的影响程度,通过分析适用于岩石中的Biot有效应力原理,本文在弹性条件下推导出用常见岩石参数表示的Biot系数公式,分析总结出Biot系数不仅和孔隙率有关,随孔隙率减小而非线性减小,而且还跟岩石泊松比或者说岩性有关,其值大于孔隙率。并且提出了在特定围压和水压下,孔隙率小于某个界限值时可以忽略水压力影响,并给出了界限值的求解方法。最后通过锦屏二期水电站引水隧洞实例分析,验证了论文观点的正确性。     

圆形巷道两帮水平切槽对围岩卸压的数值分析

处于深部高应力的岩体中储存有大量的弹性应变能,它是引发深部硬岩巷道发生岩爆的内因。卸压法可以用于改变巷道和洞室附近围岩的应力场,使这部分围岩处于应力降低区,从而达到保持其稳定性的目的。本文用岩石破裂过程分析RFPA系统模拟圆形巷道周边开卸压槽前后巷道围岩的变形、损伤与破坏过程,分析了不同原岩应力状态(侧压力系数)和切槽长度条件下围岩的应力和损伤区的分布特征,揭示了围岩中开槽卸压的力学机理。数值模拟结果表明,数值模拟证实了当卸压槽深度为巷道直径的0.5倍左右时,围岩的卸压效果明显,但过长的卸压槽长度会导致整个巷道围岩结构体的承载力降低和变形过大。该项研究对于巷道卸压的工程实践具有一定的理论指导意义。     

软弱夹层对深基坑水平位移影响的数值模拟分析

以某深基坑支护工程为背景,研究了软弱夹层对基坑水平位移的影响。利用有限元分析软件PLAXIS 2D和M C土体本构模型对该工程排桩预应力锚杆支护段进行数值模拟。对比分析了软弱夹层的黏聚力、内摩擦角、厚度、埋置深度对基坑水平位移的影响,得到了这些因素对基坑水平位移的影响规律。结果表明:软弱夹层的存在对基坑水平位移有较大影响;内摩擦角对基坑水平位移的影响比黏聚力更加明显;黏聚力和内摩擦角同时变化引起基坑水平位移的变化大于单一参数变化引起的基坑水平位移变化之和;基坑水平位移随软弱夹层厚度的增大而增大;随着埋置深度的增大,基坑水平位移呈现先增大后减小的趋势。     

海岛地下水封洞库围岩稳定性及水封可靠性研究

为提高我国的石油储备量及海岛资源利用率,在海岛环境建造地下水封油库成为了一种新的思路。海岛环境相比于内陆具有更好的水力条件,且可作为港口,便于油品运输。以某海岛地下水封油库为依托,基于流固耦合理论,采用有限元数值模拟方法对海岛环境建造地下水封洞库的围岩稳定性和水封可靠性进行研究。结果表明:在海岛环境建造地下水封洞库围岩的应力和位移均较小,可以满足围岩稳定性要求;在不设置水幕系统情况下,开挖地下洞库会在洞库上方形成明显的降落漏斗,部分洞库顶部甚至发生疏干现象,无法满足水封可靠性要求;在设置水幕系统后,地下洞库上方可形成较大厚度的地下水覆盖层,可以满足水封可靠性要求。该成果对在海岛环境下建造地下水封洞库的研究具有借鉴意义。