山岭隧道高水压下衬砌结构平面数值分析

采用平面有限元数值模型分析高水压作用下衬砌结构受力特征和围岩稳定性,研究了水压力大小、注浆加固圈厚度、水压力折减系数对衬砌结构受力和围岩塑性区的影响。研究结果表明：衬砌内力与塑性区随着外水压力折减系数的增大明显增大,随着总水压力的增加而增大,随着加固圈厚度的增大而减小;外水压力折减系数是影响衬砌内力和围岩塑性区的重要因素。     

管道衬砌内水外渗对边坡稳定影响的数值模拟

根据钢筋混凝土受拉开裂特性，通过混凝土开裂后钢筋和混凝土联合承载原理，提出了在内水压作用下混凝土衬砌开裂的裂缝宽度估算公式。根据开裂衬砌内水外渗的规律，提出了高压管道内水外渗与混凝土衬砌裂缝宽度相互影响的有限元迭代计算分析方法。该方法将内水压荷载分解为起裂荷载和破坏荷载，对混凝土衬砌起裂荷载采用一次加载，对破坏荷载采用分级加载迭代，由此较好地反映衬砌开裂和渗流耦合作用效应。根据渗流荷载对边坡的破坏作用，提出了对边坡稳定判断的思路。通过对实际工程的分析计算，论证了高压管道内水外渗对边坡的稳定影响, 为内水外渗与应力场耦合分析提供了一种有效的计算方法。     

内水压力下水工隧洞衬砌与围岩承载特性研究

衬砌与围岩是水工隧洞的主要组成部分,内水压力是其承担的主要荷载之一。采用轴对称计算模型,以衬砌与围岩间接触应力状态为判断标准,研究了衬砌混凝土开裂前后围岩渗透系数、变形模量等材料参数对衬砌与围岩联合承载特性的影响,详细地介绍了透水衬砌的设计方法和计算过程,以混凝土最大裂缝宽度为控制标准,编制了透水衬砌结构计算与配筋设计程序,并给出了算例验证。计算结果表明,围岩渗透系数是隧洞结构设计的关键,与围岩变形模量具有同等重要作用;围岩透水性越差或变形模量越低,衬砌与围岩越容易脱开;与混凝土开裂前相比,混凝土开裂后,衬砌与围岩更容易脱开;与钢板衬砌方案相比,钢筋混凝土衬砌方案可以很大程度地减小钢材用量;建议高压钢筋混凝土衬砌隧洞设计、施工时,应尽可能地保持围岩的完整性,并进行细致周密的固结灌浆,以增强围岩抗渗能力。     

水工隧洞内水外渗耦合分析

在水荷载体力理论的基础上,引入钢筋应变不均匀系数和混凝土应变不均匀系数。计算衬砌渗透系数,引入反映钢筋混凝土衬砌与围岩有条件联合承载特性的充水夹层单元模型,采用等效耦合分析方法,对水工隧洞内水外渗条件下的衬砌钢筋应力和围岩应力状态进行了计算分析。计算结果表明,与考虑衬砌与围岩完全联合承载的耦合分析方法相比,钢筋应力有了较大幅度的降低,在一定程度上反映了钢筋混凝土衬砌高压隧洞运行过程中钢筋应力水平普遍较低的这一工程特性。     

小浪底水利枢纽地下厂房岩体支护效果数值分析研究

介绍了小浪底水利枢纽地下厂房岩体力学行为数值分析的过程和方法,包括采用的屈服准则、三维几何模型、岩体力学参数、地应力场、开挖过程模拟和支护结构模拟方法。给出了1.0和0.8两种侧压力系数下,无支护结构、无预应力锚索有锚杆有衬砌、有预应力锚索有锚杆有衬砌3种情况的计算结果,研究结果表明：（1）支护结构对限制围岩位移和塑性区开展作用不大,但对于固定松动破碎岩块、防止洞周局部崩塌脱落有不可缺少的作用;（2）开挖过程对预应力锚索拉力影响不大;（3）开挖过程引起混凝土衬砌较大拉应力,围岩表面的钢筋网,对于限制衬砌开裂和防止其脱落,有重要作用。     

隧道衬砌厚度不足的健康判据试验研究

针对目前隧道健康诊断指标判据不统一的现状,采用室内相似模型试验,结合实际工程实例,研究了隧道支护结构衬砌减薄状态下围岩与支护结构破坏规律与极限承载能力,得出了隧道支护结构在相应的受力状态下健康状态判据。结果表明：隧道衬砌支护结构的位移特征以拱肩的压入和拱顶的挤出为主,随着拱顶衬砌支护结构减薄量的增加,支护结构衬砌与围岩之间的接触应力逐渐减小,结构的承载能力逐渐下降,隧道拱顶部位的位移增加,其柔性逐渐增大,隧道拱顶内侧被压溃,外侧受到拉力作用而开裂,随后隧道拱腰和边墙出现裂纹,最后逐渐扩展贯通;隧道承载力曲线呈现明显的“S”型,据此可以划分为承载力缓慢退化阶段、快速退化阶段和退化完成阶段,相对应的阶段可以划分为隧道结构的健康等级与级别,为工程应用提供了参考依据     

考虑中间主应力影响水底隧道围岩与衬砌流固耦合弹塑性解

裂隙岩体在渗流水荷载作用下的裂隙围岩流-固耦合研究是隧道工程研究的热点问题,而计及中间主应力影响的隧道围岩流-固耦合应力计算鲜见介绍。采用双剪统一强度理论屈服模型,计及中间主应力影响,分析了在渗流水荷载作用下隧道围岩处于弹性、软化、塑性流动时的流-固耦合问题,并给出了含水围岩、衬砌应力、位移与变形区界面半径解析计算式。其结果对水底隧道围岩稳定分析与衬砌结构设计计算具有工程实用意义。     

铁山隧道和大垭口隧道的平面弹塑性有限元分析

对巴彭公路铁山隧道和开万公路大垭口隧道的两个典型剖面的稳定性进行了平面弹塑性有限元计算,分析了围岩中的应力、变形、塑性区以及初期支护和二次衬砌结构的承载能力,得出了相应的认识：（1）在特定的埋深、岩体类别、支护结构及荷载释放比例的条件下,洞室周围有较强的应力集中现象,一定部位及范围内的围岩进入了塑性状态;（2）喷层、二次衬砌及锚杆均在弹性范围内工作,并且有较大的安全储备。     

复杂条件下隧道断面形状和支护参数优化

通过有限差分法（FLAC3D）数值计算和现场试验对马蹄形断面和大曲率边墙、似圆形断面形式下隧道的支护受力和围岩变形特征进行了对比分析,得出采用似圆形断面可以有效地控制围岩的变形量和变形速率,尤其是水平收敛变形;现场变形量测时的丢失位移所占总位移比例较大,其中下台阶丢失位移比例最大;通过现场试验,对不同支护刚度下围岩压力、锚杆受力、钢架、混凝土应力以及二次衬砌分担的围岩压力和模筑混凝土受力情况进行分析,结合洞室变形的现场量测,得出二次衬砌接触压力及分担围岩压力比呈现出随着初支刚度增大而增大的规律,并综合确定了板岩段合理的支护参数。该结论对在构造应力发育的软岩地区修筑隧道提供了有益的工程经验     

某公路隧道不同纤维混凝土支护结构性能比较

软弱、破碎围岩的公路隧道支护一直是困扰公路隧道施工的技术难题。结合三里冲软弱围岩公路隧道工程地质条件和隧道开挖设计参数,采用FLAC软件对钢纤维混凝土锚喷和聚丙烯纤维混凝土锚喷2种初期支护结构进行数值模拟研究。从应力、位移和塑性区3个方面分析隧道围岩的稳定性。计算结果表明,聚丙烯纤维混凝土锚喷支护结构能充分发挥围岩自承载能力,提高隧道的稳定性,能有效减少二次衬砌混凝土的厚度。     

高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型的求解策略与方法,在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序HWFSC.for。高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合体现在岩体裂纹网络和渗流初始条件都随渗流时步变化。对高压注水岩体裂纹扩展过程进行渗流-断裂耦合分析。结果表明,高压注水条件下,岩体裂纹扩展存在起动水压力,当水压力大于起动水压力时,裂纹尖端开始萌生翼形裂纹,随着裂纹水压力的增加,翼形裂纹扩展,进而与其他裂纹搭接贯通,停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响,连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析,能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象,描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。     

新型大孔径静态破碎技术的试验研究

在传统静态爆破的基础上,提出了一种新型大孔径静态爆破技术,使用新型扩孔钻头结合机械堵孔器解决了大孔径静态爆破的冲孔问题。由于孔径的增大,使得破碎剂膨胀压力增大,膨胀剂反应速度加快,加大了堵孔难度。设计的新型扩孔钻头和新型堵孔器进行了孤岩块的大孔径静态爆破试验,试验结果证实了该新型大孔径静态爆破技术的可行性,达到了提高爆破能力和缩短破坏时间的预期目的。为今后的敏感地区岩石爆破工程开挖提供了新途径。     

修正应变能密度因子准则及岩石裂纹扩展研究

由应变能密度因子理论得出裂纹沿着形状改变比能密度因子最小的方向扩展,但理论中所使用的应力强度因子是在拉应力作用下计算得出的,而自然界中的岩体通常处于压应力场中。因此,在修正的应变能密度因子理论的基础上,结合压缩荷载作用下的裂纹尖端应力强度因子,并考虑裂纹面之间的摩擦作用得出了针对压缩荷载作用下的岩石裂纹扩展的应变能密度因子理论,并运用该理论分析了裂纹倾角、围压以及裂面摩擦力对破裂角的影响,将分析结果与已有的试验和数值分析结果进行比较,取得了良好的一致性。分析得出,在单轴压缩荷载作用下临界破裂荷载随着裂纹倾角的增大而先减小、后增大,并且一个裂纹倾角对应多个破裂角,即裂纹朝多个方向发展;在三轴压缩荷载作用下,破裂角与围压大小有关。此研究成果可为压应力场中岩石裂纹扩展的数值模拟提供参考。     

大体积混凝土温度裂缝扩展过程模拟

大体积混凝土的温度裂缝是关系到水电工程中混凝土大坝安全的重要问题,它贯穿混凝土坝的施工期直至运行期。重点探讨了应用无网格法求解大体积混凝土温度裂缝扩展过程的模拟方法。无网格法采用节点来离散求解域,特别适用于裂缝开裂过程的模拟。结合混凝土热传导问题推导了伽辽金无网格方法控制方程和基本算法步骤,编制了混凝土温度场计算和温度裂缝扩展过程模拟的无网格法程序,通过具体的算例验证了所编制的伽辽金无网格程序的正确性。数值算例的计算结果表明,无网格法能够有效地模拟混凝土块在温度应力作用下的开裂发展过程,计算结果符合大体积混凝土块在均匀温降和基础强约束条件下的裂缝分布规律。     

边缘检测法预测非均匀岩石材料的破裂

由于岩石存在内部缺陷,绝大多数岩石材料都具有非均质性.这种不均质性导致了材料在受到外部荷载时产生局部裂纹并且在得到能量后继续生长发育,最后使材料发生破坏.讨论了用边缘检测方法求解岩石材料在加载过程中可能发生的破裂发展.根据某一既定概率密度函数构造了一种岩石材料模拟加载,并且根据边缘检测方法得到了可能的破裂结果.对已有实验结果图象进行检测,证实边缘检测能够预测出岩石试件加载可能发生破裂的区域,结果基本正确.     

岩质边坡渐进破坏的三维随机分析

层间错动带是岩体结构中普遍存在的一种地质现象,含错动带的岩质边坡三维分析更是岩土工程关注的难点问题。结合国内某高拱坝工程,根据岩体层间错动带的分布状况,利用等厚度节理单元模拟了坝区22层错动带和软弱夹层,利用Mohr-Coulomb准则确定节理单元的破环方式,提出了岩质边坡三维滑动面的确定方法,该方法考虑了岩石和错动带（软弱夹层）的随机性。利用弹塑性理论、可靠度理论和破坏追踪相结合的方法,通过3 000多次有限元的计算,得到了边坡滑动面的位置、形态、破坏的先后顺序、滑动的方向以及滑动到任何程度的概率度量。含层间错动带的岩质边坡渐进破坏模式可概括为边坡的破坏起始于层间错动带的剪切破坏。随着各层间错动带的破坏、边坡结构性能恶化,部分较薄的岩层变成不同支撑形式的板,然后部分岩层开始破坏,边坡开始滑动,形成一个或几个破坏台阶,直至失稳。     

高渗压条件下压剪岩石裂纹断裂损伤演化机制研究

探讨了高渗透压作用下压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,建立了高渗压下裂隙岩体发生拉剪破坏的临界水压力值和初裂强度判据,分析了不同渗压作用下裂纹的扩展情况表明,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,高渗透压作用下分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展,并导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,同时考虑分支裂纹的相互作用,建立了高渗透压作用下压剪岩石裂纹体岩桥剪切贯通的断裂破坏力学模型,最后依据裂隙岩体的损伤力学效应研究了岩体的初始损伤及损伤演化柔度张量,提出了高渗压下压剪岩石裂纹渐进破坏的损伤演化方程。该理论为定量研究高渗压下裂隙岩体的失稳破坏提供了理论依据。     

岩石材料裂纹扩展的改进近场动力学方法模拟

在传统键基近场动力学模型的基础上,提出可以反映岩石类材料应力-应变变化特点的改进型模型,弥补了传统近场动力学模型在模拟岩石类材料时无法反映岩石内应力随应变先增加再减小最后破坏这一特性的不足。运用改进型模型,对含有单裂纹试件在不同预制裂纹角度及拉伸荷载条件下的裂纹扩展过程进行了数值模拟,分析了开裂角度在不同预制裂纹角度及拉伸荷载条件下的变化。结果表明：预制角度及拉伸荷载对开裂角度都有影响,在试件周围拉荷载接近的情况下会获得较小的开裂角,并且在拉荷载一定的条件下开裂角会有先增加后减少的规律。同时模拟了含裂纹岩石在单轴压缩条件下的裂纹扩展情况,将数值模拟的结果与室内试验的结果对比,验证了所提出新模型的有效性。所提出的新模型可以较好地模拟岩石类材料在拉荷载条件下的力学特性,在岩石数值模拟方面有着较为广泛的应用前景。     

Dynamic Study on Fracture Problems in Viscoelastic Sedimentary Rocks Using the Numerical Manifold Method

The viscoelastic deformation behavior of a sedimentary rock under different loading rates is numerically modeled and investigated by the numerical manifold method (NMM). By incorporating a modified 3-element viscoelastic constitutive mode in the NMM, crack initiation and propagation criteria, and crack identification and evolution techniques, the effects of the loading rates on the cracking behavior of a sedimentary rock, such as crack open displacement, crack sliding displacement, crack initiation, crack propagation and final failure mode, are successfully modeled. The numerical results reveal that under a high loading rate (>1,000 MPa/s), due to the viscoelastic property of the sedimentary rock, not only the structural behavior deviates from that of elastic model, but also different cracking processes and final failure modes are obtained.     

爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制

岩体裂纹的水力劈裂是岩体开裂渗漏甚至施工涌水的重要影响因素之一,也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度分析了爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动作用,结果表明,爆破开挖扰动下,岩体含水裂纹的扩展,与爆炸应力波强度及其入射角、地应力的大小与方向、孔隙水压大小、裂纹的倾角及断裂韧度等因素相关;爆炸应力波的作用,相当于增大了岩体裂纹中的孔隙水压力,每1 cm/s的峰值振动速度相当于增大100 kPa的孔隙水压力,爆破振动速度越大,所产生的爆破扰动荷载越大;岩体开挖引起的岩体裂纹近区地应力及其孔隙水压力的变化,对裂纹的失稳与扩展具有较复杂的影响,可改变裂纹的失稳扩展模式。