岩体质量对地下工程开挖效应的影响研究

以西北某大型水电站地下厂房洞室群为例．在地质调查的基础上,对洞室群围岩岩体质量进行了分析评价。而后,运用数值模拟手段研究了岩体质量不同时．洞室群开挖效应——二次应力场、位移场和破坏区的差异．较全面地讨论了岩体质量对洞室群开挖效应的影响。     

双圆形洞室群开挖过程围岩应力场变化分析

洞室群稳定性是水利水电、铁路公路、国防工事、能源开发与储备工程等领域的研究热点问题。结合新疆某水电站洞室群工程,利用3D-Sigma软件建立了5个洞室群模型(每个模型均含有两个圆形洞室),模拟了洞室开挖过程中围岩应力场变化状况,通过在拱顶、拱底、左右拱脚等区域设立应力监测点,详细分析了前期洞室开挖过程中围岩应力场的变化、后期洞室开挖对前期洞室围岩应力场影响以及随两洞室间距增大应力场的变化规律,得出了洞室群开挖过程中的应力集中分布特征。研究成果对深部洞室群稳定性控制具有一定的参考价值。     

地下圆形衬砌隧道对沿线地震动的影响(II):数值结果

利用地下圆形衬砌隧道对入射平面P波和SV波散射级数解答，定量分析了入射波长、入射角度、隧道直径、衬砌刚度等因素对沿线地表位移放大作用的影响。计算结果表明，当入射频率较低时，地下隧道的存在对地表位移幅值影响不大；而当入射频率较高时，地表位移幅值可以达到无隧道情况的4．5倍以上；衬砌情况下地表位移幅值可以高出非衬砌情况的87．8％。建议在地铁的规划设计中考虑地下隧道的建设对隧道沿线设计地震动的影响。     

排列洞室方向对岩体破坏机制和强度影响的试验研究

大型地下工程根据工程需要,由大小洞室组合成洞室群体构成。如何布置洞室群直接涉及洞室和洞室群体的稳定性、工程造价、处理措施等。为了探讨工程结构岩体稳定性的影响,我们组织了这项洞室群排列方向对工程岩体稳定性影响的室内岩体力学模型实验研究。     

龙游石窟1～3号洞室稳定性分析及安全通道路线的选择

龙游石窟是一个大型古地下洞室群,具有重要文物价值。但龙游石窟正面临着风化速度加快,围岩变形破坏越来越严重等问题。在洞室群内部设置安全通道的方法是保证旅游安全和实现洞室群长期保护的一个重要措施。为制定设计安全通道的合理方案,对洞室群分布区的变形破坏现象进行了现场地质调查,并根据调查结果重点分析了洞室群洞口区域、顶板、公共边墙和岩柱的变形破坏特征。并利用有限差分程序FLAC3D进行了数值计算分析,对安全通道所经过区域的洞室围岩稳定性进行了评价。在计算过程中,利用网格单元的安全系数计算方法对比分析了安全通道的不同设计方案,初步确定了龙游地下洞室群1～3号洞室安全通道的设计路线。     

基于正交设计的地下水封洞库群优化

大型地下水封石洞油库是目前国内外石油战略储备的重要方式,为保证该类大断面不支护地下洞室群的稳定,需优化洞室群的布置。在分析山东某地下水封洞库群工程地质条件的基础上,建立洞室群数值模型。根据三轴试验、围岩RMR（rock mass rating）分类和广义Heok-Brown准则估计了II、III和IV类围岩的岩体力学参数。以洞室埋深、轴向和间距为因素,采用正交设计的方法进行数值试验,以关键点位移和塑性区面积作为评价指标对试验结果进行直观分析,得到对洞室围岩变形和塑性区面积影响最显著的为洞室轴向,并研究了轴向对围岩变形和塑性区面积的影响,得到该水封洞库洞室群的最优布置方案为埋深-60.0 m,轴向N30°W,间距为25 m。其研究结果对地下水封洞库洞室群的布置具有一定工程意义和理论价值。     

层状岩体地下洞室变形影响因素分析

目前水电站建设多采用地下厂房,地下洞室围岩的变形特性是设计和施工关注的关键问题之一。采用有限元程序,结合正交试验设计方法,考虑多因素共同变化的影响,研究了各因素对地下洞室变形特性的影响显著程度．对各因素对洞室特征部位变形影响的显著性分别进行了排序。分析结果表明：拱顶位移受岩层厚度和洞室埋深的影响程度最大,左边墙中点位移受洞室埋深和洞室高度的影响最大．右边墙中点位移主要受洞室埋深的影响最大;洞室最大位移多发生在左边墙中点附近,受岩层厚度、洞室埋深、洞室高度的影响都非常显著。绘出了各因素对洞室特征部位位移的影响趋势。     

地铁盾构穿越建筑物施工位移的数值分析

在总结地铁盾构施工的控制原则以及盾构通过临近群桩的动态预测方法的基础上,结合武汉地铁的设计,采用数值模拟方法对地铁盾构穿越汉口火车站区时地面及建筑物桩群进行模拟,分析了盾构穿越一般底层和穿越群桩基础两种不同的情况的位移情况,从而对盾构隧道对城市地面以及建筑物的影响做出评价,提供了盾构穿越建筑物施工安全控制的建议。     

基于强度折减原理的地下洞室群整体安全系数计算方法探讨

为解决大型地下洞室群的整体稳定性评价这一难题,吸收边坡强度折减有限元的优点,提出了基于强度折减技术的地下洞室群整体安全系数求解方法。该方法采用Mohr-Coulomb屈服准则,以洞室之间的等效塑性应变贯通作为洞室群整体失稳的临界判据。洞群整体安全系数计算是通过搜索折减系数F,将岩土材料的力学强度参数（黏聚力c和内摩擦角?）按F值折减代入数值计算中,使计算模型的洞室间正好出现明显的贯通性等效塑性应变来实现。拉西瓦水电站地下发电枢纽洞室群和锦屏二级水电站A、B辅助洞两个典型工程实例的整体安全系数计算表明,该方法可以便捷、客观地获得洞室群的整体安全系数,可为大型地下多洞室的稳定性评价和开挖与支护设计提供定量指标和科学依据。     

Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的散射

基于Biot的两相介质理论,采用间接边界积分方程法,求解了Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的二维散射问题,分析了入射波频率、孔隙率、边界渗透条件和洞室埋深等参数对地表位移幅值、洞室表面和地表孔隙水压力的影响。研究结果表明,由于圆形洞室的存在,饱和半空间地表位移幅值和地表孔隙水压被明显放大:在透水条件下,水平和竖向位移最大值分别比自由场放大了10.1倍和11.2倍;在不透水条件下,水平和竖向位移最大值分别比自由场放大了12.0倍和9.6倍,地表孔隙水压力放大了2.1~3.0倍。地表位移和孔隙水压力最大值均出现在入射波近端洞室边界附近。随着Rayleigh波入射频率的增大和洞室埋深的增加,地表位移幅值的放大作用有所减小。在相同孔隙率条件下,当入射频率为1.0时,洞室表面孔隙水压力最大;当入射频率为2.0时,洞室表面孔隙水压力最小,洞室表面最大孔隙水压力出现在洞室顶部。     

Ground motion amplification due to shallow cavities in nonlinear soils

Subsurface cavities or stiff inclusions represent mechanical discontinuities for seismic waves propagating in soils. They modify the propagation pattern of seismic waves and alter soil response in correspondence to the ground level or building foundations. In the literature, different analytical and numerical solutions have been proposed to account for the effect of underground cavities or inclusions on the motion generated by P, S or R waves. In these former studies, the subsoil was assimilated to a homogeneous, isotropic and linear elastic halfspace containing one or more cavities. In the present study, the effect of subsurface cavities on ground motion amplification has been analysed accounting for soil stiffness degradation and associated damping increase with increasing levels of shear strains, a fundamental aspect of soil behaviour under earthquakes. The analysed model was inspired to a real case represented by the village of Castelnuovo (Italy), which during the 2009 Abruzzo earthquake suffered huge damage. The main shock (6 April 2009) caused the collapse of 50 % of the whole built environment. The historical centre of Castelnuovo rises on a hill. In its subsoil, there are many cavities with roofs 2–3 m below the ground level. The longitudinal NW–SE section of the hill has been investigated by 2D nonlinear site response analyses. A preliminary site response analysis was performed without modelling cavities, to identify ground motion amplification due to mere stratigraphic and topographic factors. The numerical model was later refined inserting: (1) a single cavity below the hilltop, (2) multiple cavities placed below the ground surface of the hill and (3) multiple cavities filled with concrete (inclusions). The performed study highlights the important role exerted by underground cavities on the ground motion computed at the hill surface. This effect should be properly considered for both microzonation studies and the correct determination of the seismic actions on specific buildings.     

地下圆形衬砌隧道对沿线地震动的影响(Ⅰ):级数解

利用波函数展开法，给出了地下圆形衬砌隧道对入射平面P波和SV波散射问题的一个级数解答，当衬砌与半空间介质相同时，该解答退化为文献中的无衬砌隧道的解答。级数解答为进一步定量研究隧道对入射平面P波和SV波的放大作用以及入射波长、入射角度、隧道直径和衬砌刚度等参数对隧道沿线地震动的影响奠定了理论基础。     

地下圆形衬砌隧道对沿线地震动的影响(I):级数解

利用波函数展开法,给出了地下圆形衬砌隧道对入射平面P波和SV波散射问题的一个级数解答,当衬砌与半空间介质相同时,该解答退化为文献中的无衬砌隧道的解答。级数解答为进一步定量研究隧道对入射平面P波和SV波的放大作用以及入射波长、入射角度、隧道直径和衬砌刚度等参数对隧道沿线地震动的影响奠定了理论基础。     

A BEM investigation on the influence of underground cavities on the seismic response of canyons

Two-dimensional site effects caused by cavities under topographical functions can considerably impact the seismic reaction of the ground surface. Due to the complexity of scattering issues by topographical features above subterranean cavity, few studies have been done in this field. In the present study, the seismic response of semi-sine-shaped canyons above a subterranean cavity (hole) of different dimensions, depths and locations is examined. The medium is assumed to have a linear elastic constitutive behavior exposed to vertically propagating incident SV and P waves. All calculations are performed using the direct boundary element technique in the time domain. It is observed that a cavity below a canyon can considerably change the ground response of the surface in different periodic bands. The seismic interaction between canyon and cavity with respect to various geometrical parameters will lead to different amplification patterns in the center and edge of the canyon. One of the most important results is the increase in amplification of long periods compared with the case of a canyon without cavity. Moreover, parametric research shows the fact that the cavity detail and canyon height, the ratio of cavity to the canyon size and cavity location impact on the seismic amplification of the canyon surface. Finally, spectral amplification coefficients of the canyon surface led by the cavity are reported for different cases of the canyon–cavity interaction.     

饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面P波的散射

在 Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,首次建立了求解饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面 P 波散射问题的波函数展开法。首先。分析了具有圆柱形孔洞的饱和土半空间场地在平面 P 波入射下产生散射波系,并将入射波和散射波的波函数在圆柱坐标下展开。然后,引入边界条件,求出散射波函数的待定系数,从而,得到饱和土半空间中圆柱形孔洞对平面P波的散射问题的解析解。根据所得的波函数的解,可求解区域内的位移、应力的值,同时,分析了入射波频率、入射角对柱面上的应力集中因子的影响。     

地下商场结构对地面运动影响的振动台试验研究

为了研究地下空间结构对场地地震反应的影响，以一个三层地下商场结构为原型，设计并开展了土?地下空间结构动力相互作用振动台模型试验，研究了在6条不同卓越频率输入地震波在不同峰值加速度下场地地震反应的变化规律。试验研究结果表明：（1）地表水平加速度放大系数以结构中轴线为对称轴呈对称分布，地下结构显著影响上方及邻近场地的地表水平加速度。同时，由于地下空间结构的局部场地效应影响，即使在水平地震输入下也将导致场地产生竖向振动，地表竖直加速度放大系数呈M形分布。地下空间结构的影响范围可达到其两侧各一倍宽度距离。（2）地表加速度放大系数受输入地震波卓越频率的影响明显，且随着输入地震波的峰值加速度（PGA）的增大而降低，但空间放大系数随着PGA的增大而增大。（3）地表加速度Fourier谱的峰值频率受输入地震波的卓越频率、场地水平方向的固有频率和竖向固有频率的综合影响。     

层状半空间中洞室对入射平面SV波的散射

利用间接边界元法,在频域内求解了层状弹性半空间中洞室对入射平面SV波的散射问题。通过自由场反应分析,求得假想洞室边界上各点位移和各单元应力响应。在洞室边界各个单元上施加虚拟分布荷载,求得位移和应力的格林函数。根据应力边界条件确定虚拟分布荷载,将自由场位移响应和虚拟分布荷载产生的位移响应叠加起来,即得到问题的解答。比较了层状半空间和均匀半空间中洞室对入射平面SV波的放大作用。结果表明,层状半空间情况有可能导致较大的地表位移幅值,尤其是对于较低频率入射波。     

浅埋孔洞对地表反平面运动的影响

采用复变函数和多极坐标方法,构造了一个能够自动满足水平表面上应力自由边界条件的散射波函数,研究了地下任意形柱状孔洞对任意角度入射的平面SH波的散射及其对地面震动的影响,给出了浅埋孔洞附近地面运动的数值结果。定量分析了入射波长、入射角度、孔洞的形状和埋深等因素对地面运动的影响。研究表明,浅埋孔洞与水平表面存在强烈的相互作用对局部地面运动将起到放大作用,在地面建筑物抗震设计时应考虑地下隧洞的存在对地震动的影响。     

浅切割的高山峡谷复杂地形的地震动放大效应研究

高山峡谷复杂地形是我国西部地区常见的地形和场地条件,大量的工程(桥梁、大坝等)修建在这类场地上。实际震害调查结果表明不规则地形对地震动具有明显的放大作用,对边坡的稳定性和建筑物的安全性构成不利的影响。因此研究高山峡谷复杂地形的地震动放大效应具有重要的工程价值。本文针对浅切割的高山峡谷复杂地形(山体顶和峡谷底的高差在100~500 m范围内),基于边界积分方程法获得场地任意点的地震动,详细探讨了入射波类型(P波和SV波)、入射波频率、入射角、山体和峡谷的几何参数对浅切割的高山峡谷复杂地形的地震动放大效应的影响,发现山体的存在明显改变场地地震动的空间分布;高山峡谷复杂地形对地表地震动的放大作用与入射波频率密切相关;不同的地震波类型对应不同的地震动空间分布模式;峡谷深度对地震动放大效应的影响取决于入射波的类型;不对称的几何形状导致地震动的空间分布也呈现明显的不对称,并且SV波入射时的不对称性强于P波;当地震波斜入射时,峡谷背向震源侧的地震动远大于面向震源侧的地震动。本文的研究方法可以获得考虑高山峡谷复杂地形地震动放大效应的场地任意位置的地震动,为边坡的稳定性分析提供更符合实际的地震输入。