地震荷载作用下地下洞室不利地质结构塌落机制研究

目前地下结构地震动力分析主要研究围岩响应特征,对围岩中赋存的岩体结构的动力响应规律、塌落机制还缺乏深入研究。结合大岗山水电站工程地下洞室群,基于块体理论选取3种不利地质结构组合作为地下洞室群动力分析的主要结构形式,接着运用离散元程序UDEC研究两种地震动工况作用下不同不利地质结构组合切割的地下洞室围岩动力响应、变形特征以及节理的张开、滑移特征,分析开挖面附近块体的塌落机制。研究结果表明,陡倾角结构面切割形成不利地质结构对地下洞室围岩变形破坏机制影响较大;在地震荷载作用下,陡倾不利地质结构沿节理面的滑塌具有突发性,并且塌落模式随地震强度增加可能发生变化。     

动荷载作用下隧道围岩块体稳定性分析及其应用

隧道围岩中的结构面将岩体切割成块体,块体在自然状态下的静力平衡因为隧道开挖而被打破,临空面的产生和动荷载的施加都可能导致块体的滑移,进而引起围岩失稳。以往应用块体理论寻找关键块体时,多只考虑纯重力的作用,而忽视了爆破振动、地震等动荷载对诱发失稳灾害的重要作用。将爆破振动荷载和地震荷载转化为等效静力,并通过数学计算求出使块体安全系数最低的动荷载方向,再利用关键块体理论矢量分析方法分析隧道围岩的稳定性。在长岗隧道中的应用表明,考虑动荷载作用下的块体安全系数明显小于只考虑重力作用时的安全系数,原本稳定的块体也可能在动荷载作用下变成关键块体导致围岩失稳,这与长岗隧道现场记录的破坏现象相符。     

一种简单的岩体地下洞室地震安全评价方法

提出了动应力集中因子代表值的概念,以合理反映地震荷载作用下地下洞室围岩的动应力集中程度,并将动应力集中因子代表值,作为洞室地震响应的关键特征来衡量洞室地震响应的大小。应用显示有限差分法,讨论了地震动加速度幅值、洞室埋深、围岩岩体级别、衬砌混凝土厚度、衬砌混凝土强度等级与动应力集中因子代表值的相关关系。研究表明,动应力集中因子代表值与这5个因素均近似呈线性关系。在此基础上给出了有（无）衬砌支护结构两种情况的地震安全评价公式,提出了岩体地下洞室的地震安全评价方法。应用提出的评价方法,分别对唐山余震地震作用下溪洛渡水电站超大型地下洞室群的地震安全性进行了评价,所得结果与Dowding-Rozen及Sharma-Judd的评价方法结果一致。分析还表明,文中提出的岩体地下工程的地震安全评价方法的评价结果是偏于安全的。     

连续介质理论与块体理论在地下水封油库围岩稳定性分析中的应用:以烟台某地下水封油库为例

围岩的稳定性对地下水封油库的建造具有至关重要的影响。通过室内岩石实验(单轴试验、声发射试验和直剪试验)并结合野外地质调查与测绘的成果,获取了烟台某地下水封油库储油洞室围岩的岩体物理力学参数和优势结构面的空间分布特征;基于连续介质理论与块体理论,分别运用FLAC3D和Unwedge软件对烟台某地下水封油库围岩稳定性进行了数值仿真试验研究。研究结果表明:在只考虑两组控制性结构面而不考虑优势结构面组合关系的情况下,地下水封洞库围岩一般不会出现大范围的洞室失稳情况,整体处于稳定状态;但当考虑优势结构面组合关系时,不同的结构面组合会切割洞室围岩形成关键块体(引发局部破坏),关键块体主要位于拱顶与掌子面,其中拱顶的关键块体体积较小而掌子面处的关键块体体积较大。因此,拱顶和掌子面附近可能会出现局部块体破坏情况,施工过程中应对此给予足够的关注。     

围岩动态演化与块体稳定性分析

以黄河上游拉西瓦水电站地下厂房为例,基于围岩动态演化和围岩应力的动态变化,运用块体理论分析了不同应力场状态下围岩块体的稳定性。研究结果表明,围岩块体稳定性、可能运动方式、滑动面（或滑面组合）以及滑动方向均显著地依赖于围岩应力场状态。在围岩动态演化过程中,拱项块体的稳定性随着垂直应力σv增大和水平应力σh降低而减小,而边墙块体的稳定性逐渐增加,但当σv〉σh则有所降低,反之亦然。应力状态的变化不仅影响块体稳定性,而且也使块体的滑动方式、滑动面、滑动方向发生变化。不同形态块体对应力状态的上述响应特征不同,短粗状块体反应更为明显。     

地下岩体洞室群地震响应的加、卸载响应比分析

将加、卸载响应比理论引入地下岩体洞室群地震响应分析中。以输入的地震加速度作为加、卸载,以洞室围岩的加速度作为响应,合理地确定了加、卸载响应区段。通过有限差分程序FLAC3D建立了白鹤滩水电站13号机组剖面数值分析模型,选用汶川地震波进行动力时程计算,探讨地下岩体洞室群的地震动力稳定性,研究结果表明：在100年超越概率2%的地震作用下,白鹤滩水电站地下洞室群围岩响应比峰值范围在4.05～11.52之间;结合应力及位移分析,主厂房拱顶及层间错动带C4在尾调室上游边墙出露部位的围岩均进入了非线性变形状态,但响应比在整个时程中并没有趋于无穷大,围岩没有发生失稳破坏;错动带两侧的围岩产生了一定的相对位移,会对尾调室的边墙稳定性产生不利影响。该研究方法可应用于一般地下岩体结构的地震稳定性分析中。     

考虑接缝影响的地下综合管廊振动台模型试验

地下综合管廊属于浅埋狭长型结构，变形缝存在较为普遍，而在地震荷载作用下，其会对地下结构的振动响应产生一定影响，但是目前针对该问题的研究却十分有限。基于振动台模型试验并考虑接缝的影响，开展了不同波形、不同峰值加速度地震波激励下的综合管廊地震响应特征研究，对场地加速度、动土压力以及管廊结构加速度、位移、动应变和弯矩等响应进行了测试和分析。试验结果表明：管廊振动主要受周边土体影响，接缝截面边墙在地震过程中与土体发生脱离，但管廊结构整体性保持良好；管廊接缝在强震下位移较小，不会发生大变形破坏；强震作用下动土压力分布呈非线性特征；接缝截面在地震中受到的弯矩作用小于中部截面，对抗震性能有利。     

三峡工程地下厂房围岩关键块体研究

本文以块体理论为基础,预测三峡工程地下厂房围岩存在4个特大型关键块体。在地下电站总体布置为主厂房线20 136方案情况下,1#块体K值仅0 24～0 35,不稳定;2#～4#块体K值为1左右,稳定性差或极限平衡状态。调整地下电站总体布置,地下厂房向下游平移20m后,1#块体K值为0 97～1 13,稳定性差或极限平衡状态,但易于工程处理;2#块体消失;3#、4#块体K值大于1 7,较稳定。作者认为在节理发育的脆性围岩体Ⅰ、Ⅱ类围岩中,应重点定位研究由不连续结构面组成的大型关键块体。一定条件下,通过调整工程布置来避开特大型不良地质体是经济可行的方法。     

基于地表冲击荷载作用下的城市地下空间结构动力响应分析

由于地震效应、重载车辆的震动效应或由于不同爆炸物引起的强烈冲击效应,都会给城市地下空间结构带来较大的影响。通过土体的混凝土改进剑桥动力本构模型和混凝土塑性损伤本构模型,建立地表爆炸冲压荷载简化计算模型,对城市地下空间结构在TNT当量100 kg的炸药爆炸冲压荷载作用下进行了动力分析,研究了结构埋深、土体刚度对结构动力响应的影响,分析了远场爆炸地震波作用下地下空间结构的动力响应。计算结果表明,地下空间结构中部顶板产生了轻微的拉伸损伤;当埋深小于5 m时,结构动应力响应较大;结构覆盖土刚度越小,土对爆炸能量的吸收作用越显著;由于爆炸产生的地震波频率高,其对结构动应力的影响较小。研究结果对地下结构的抗爆设计具有一定的参考意义     

大块度关键块动态结构力学行为及响应特征研究

西部地区采场顶板厚而坚硬，破断岩块常形成大块度关键块，围岩稳定性差，支架响应强烈，研究块体动态结构力学行为对西部地区采场围岩控制具有重要意义。根据大块度关键块相对回转形成的动态结构建立运动力学分析模型，按照块体间几何关系推导出挤压面积随回转角的变化关系，将块体相对回转的动态过程分为3个回转阶段。基于“砌体梁”理论推导出不同阶段块体所受挤压力与回转角的关系，对结构稳定性及力学行为进行分析。结合失稳条件，以支架工作阻力为响应特征，找到回转过程中结构最易失稳点，提出工作阻力确定方法，并得到现场实证。理论计算结果表明，在大块度条件下，随着回转角θ的增大，挤压力T1总体上呈增大的趋势；当块度i<1时，T1随θ变化呈二次抛物线规律变化；而当i>1时，曲线逐渐表现为线性变化，且块度越大T1随θ变化幅度越小。通过失稳条件分析，揭示了大块度关键块在回转初期易发生滑落失稳，而抗回转变形失稳能力较强；针对块度i较大，结构自稳性弱、支架响应强烈的特点，需设计合理的支架工作阻力，分析3个回转阶段受力情况，得出块体处于回转初期与中期的临界角度时最易失稳，并给出该易失稳状态下工作阻力计算公式。     

地震作用下岩质边坡倾倒破坏分析

倾倒破坏是陡倾层状岩体边坡一类主要的变形破坏形式,地震作用下岩质边坡块体倾倒破坏分析具有重要的工程指导意义。基于块体极限平衡,针对岩块长细比较大的情况,推导出了地震作用下岩质边坡倾倒破坏的一般解析解。对于简单的反倾边坡,给出了地震作用下倾倒破坏的显式解析解,并推导了岩块间法向力、破坏模式转变点和坡脚剩余下滑力计算公式。通过4个典型算例研究了地震作用对反倾边坡破坏模式、倾倒破坏时所允许的最大陡倾节理视倾角、破坏模式转变点和坡脚剩余下滑力的影响,为反倾边坡的抗震支护设计提供了理论基础。最后,根据地震影响系数与破坏模式转变点和坡脚剩余下滑力的定量关系对比分析了解析法与传递系数法,结果显示,当岩块长细比大于20时,解析法具有足够的计算精度。     

The key‐group method

This paper proposes an extension to the key‐block method, called ‘key‐group method’, that considers not only individual key blocks but also groups of collapsable blocks into an iterative and progressive analysis of the stability of discontinuous rock slopes. The basics of the key‐block method are recalled herein and then used to prove how key groups can be identified. We reveal that a key group must contain at least one basic key block, yet this condition is not entirely sufficient. The second block candidate for grouping must be another key block or a block whose movement‐preventing faces are common to one or more single key blocks. We also show that the proposed method yields more realistic results than the basic key‐block method and a comparison with results obtained using a distinct element analysis demonstrates the ability of this new method. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

复杂断层网络环境下地下洞室群三维地质分析与应用

断层构造是制约地下工程设计与施工的关键因素。综合考虑复杂地质构造与地下洞室群结构的耦合关系,采用三维地质建模方法建立实现了地层体、断层体与地下洞室群结构的统一模型。基于三维模型提出了断层复杂度的概念,为水利水电工程地下厂房洞室群的选址方案分析提供了一种新的手段。针对地下围岩稳定性问题,提出基于断层与断层、断层与开挖面相互切割的曲面块体识别方法,搜索地下厂房洞室群内可能的失稳区域。上述方法已成功应用在某水电工程地下厂房洞室群分析中,在设计方案优化分析中取得了良好的效果。     

乌东德水电站右岸地下厂房随机块体特征研究

随机块体的几何特征和稳定性是水利水电工程中地下厂房支护设计的重要依据。对乌东德水电站右岸地下厂房随机块体的特征进行了深入研究。对研究区域内实测的裂隙参数进行了分组统计,确定了各组裂隙产状、迹长等参数的分布形式和大小。利用逆建模方法建立了三维裂隙网络模型,获取了各组裂隙的直径和三维密度。采用一般块体方法对地下厂房进行随机块体的识别和稳定性分析,利用GeneralBlock软件进行了10次随机实现,对10次计算结果进行了统计分析和讨论。研究结果表明,结构面与开挖面形成的随机块体集中在地下厂房的顶拱部位,10次随机实现中,地下厂房全长范围内平均每次形成的随机块体为414个;随机块体的平均体积为2.9 m³,最大块体的体积达152.0 m³;可移动块体中,大部分为稳定块体,不稳定块体均以坠落形式破坏;构成可移动块体的结构面多为3~4条,最多可达12条,其中倾W向的中等倾角裂隙是构成块体并可能造成块体失稳的最危险结构面;随机块体的平均深度为1.2 m,最大深度为8.8 m。建议支护锚杆应尽量穿透倾W向中等倾角的长大裂隙,且锚杆支护长度大于8.8 m。     

考虑岩桥破坏的块体稳定性分析方法

经典块体理论在进行块体可移动性分析和稳定性计算时是分步独立进行的,默认不可移动块体是稳定的,对不可移动块体不再进行稳定性分析。实际工程中,某些阻碍岩石块体运动的“岩桥”可能发生破坏,使得不可移动块体发生滑动。当块体的规模比较大时,在重力作用下破坏局部岩桥的可能性会增高。文中提出一种考虑岩桥破坏的块体稳定性分析方法,不再默认不可移动块体绝对稳定,计算块体稳定系数时,将阻碍块体移动的岩桥的抗剪切力纳入到块体的抗滑力中。该方法首先找出块体所有可能的滑动面和裂隙交线,识别块体沿每一个方向运动时需要破坏的岩桥,基于摩尔-库仑强度准则计算出块体沿每个方向运动时的稳定系数,然后,选取最小的稳定系数作为块体的实际稳定系数,最小稳定系数对应的方向即为块体最有可能的运动方向。     

改进的岩质凸块的超载储备极限平衡法

脱离模式是块体理论提出的有限可动块体的失稳模式之一。虽然直接塌落是地下工程中最常见的失稳现象,但是目前依然缺少适用的定量分析方法,这使得地下工程的开挖和加固设计缺乏必要的理论支撑。为此,提出了一种改进的考虑渐进破坏的岩块稳定分析方法。主要改进了3处：(1)引入超载基数和超载方向两个参数来量化描述储备荷载;(2)提出了Tan和Scal两种超载基数设定方式;(3)超载方向设定在节理锥的边界扇面上。算例验证结果表明,改进方法完全兼容现有双面滑模式的安全系数算法,实现了脱离模式的定量稳定性分析。最后,讨论了改进方法的刚度参数取值方法及其敏感性。     

Seismic stability analysis of a rock block using the block theory and Newmark method

Seismic stability analysis of a rock block is an important issue in the field of rock mechanics and rock engineering. To solve this problem, the block theory and the Newmark method are combined, and a general method for seismic response of a rock block is introduced. First, the formation method of a three-dimensional rock block, which includes establishing a topological relationship among the block-polygon face-edge-vertex and dividing a complex block into convex subblocks, is presented, and the simplex integration method is employed to calculate the volume of a rock block and the areas of the polygonal faces. Second, the assumptions and algorithms of the general method for seismic response of a rock block are detailed. The dynamic analysis is carried out in time step. In each time step, the key technologies including analysis of the seismic force and motion mode, trial of the incremental displacement, check for the block entrance, and update of the motion parameters are performed in order. Last, two verification examples and three application examples including a wedge, a rock block of slope, and a combined rock block are used to analyze the correctness and practicality of the general method. The results show that, for a given ground motion record, the Newmark program can effectively simulate the dynamic response process of the motion mode, velocity, and safety factor of the rock block, and the permanent displacement under the earthquake action is obtained, which provides a quantitative parameter to evaluate the dynamic stability of a rock block.