基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型

考虑裂隙水流与岩体开裂之间的相互作用,在含裂隙单元的附加节点上引入反映裂隙局部特性的附加函数,然后基于考虑裂隙面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了裂隙水流与岩体开裂相互作用的扩展有限元实现方法,并采用该法对岩石试件与压力隧洞在裂隙水压作用下的开裂过程进行了数值模拟。数值计算结果表明:岩石试件裂纹内水压变化规律与试验结果相吻合;裂隙长度较小时,裂隙的存在对压力隧洞周围岩体应力、位移场的影响较小,随着裂隙的扩展,其影响范围将逐步扩大;水力劈裂对隧洞的径向位移影响较小,而对环向位移的影响较大,考虑水力劈裂耦合分析得到的环向位移要大于不考虑裂隙内水压分析得到的结果。     

基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型

考虑裂隙水流与岩体开裂之间的相互作用,在含裂隙单元的附加节点上引入反映裂隙局部特性的附加函数,然后基于考虑裂隙面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了裂隙水流与岩体开裂相互作用的扩展有限元实现方法,并采用该法对岩石试件与压力隧洞在裂隙水压作用下的开裂过程进行了数值模拟。数值计算结果表明:岩石试件裂纹内水压变化规律与试验结果相吻合;裂隙长度较小时,裂隙的存在对压力隧洞周围岩体应力、位移场的影响较小,随着裂隙的扩展,其影响范围将逐步扩大;水力劈裂对隧洞的径向位移影响较小,而对环向位移的影响较大,考虑水力劈裂耦合分析得到的环向位移要大于不考虑裂隙内水压分析得到的结果。     

承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程模型试验

岩溶隧址区强致灾性承压隐伏溶洞较为发育,为研究隧道开挖诱发隔水岩体破裂突水致灾机制,以利川至万州高速公路齐岳山隧道为工程背景,研制了流固耦合相似材料,提出了承压溶洞制备新工艺,自主研发了大型隧道突水灾变演化模拟试验系统。针对隧道开挖方式与溶洞发育尺寸,开展了多种工况下隐伏溶洞突水灾变演化过程模拟试验,研究结果表明：隧道施工过程突水灾害是爆破施工扰动与承压含水溶洞渗透破坏双重作用的结果;受爆破开挖扰动影响,隔水岩体内部裂隙发育密集,重点监测区域累计位移高出人工钻凿开挖27%,应力释放率达23.5%,稳定渗透压力仅为初始压力的36.7%,外加水压加载至40 kPa约15 min后最先突水;相同水压加载条件下,溶洞尺寸越大对隔水岩体渗流场、位移场、应力场的影响越大,位移释放率越大、渗透压力整体水平越低,最终在应力和渗流作用下优势导水通道形成并扩展率先发生突水;承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程经历了群裂隙的萌生扩展、优势导水通道的形成、隔水岩体破裂失稳3个阶段。试验结果对隧道突水机制的研究和灾害防治具有一定的指导意义。     

隧道区岩体结构特征分析及量化

裂隙岩体独特的裂隙网络结构,控制了其内在的各种力学及水力学行为。因而对裂隙岩体网络结构特征的研究,成为对裂隙岩体水力学特性研究的基础。文章结合石太客运专线特长隧道（太行山隧道）分析了隧道区裂隙发育特征及地质构造对渗透性的影响,量化裂隙岩体结构特征,为准确地预测隧道涌、突水位置及水量提供了理论的依据。     

基于岩溶演化模型的隧道突水危险性评价

岩溶隧道是否发生涌突水,主要取决于洞身岩溶发育程度和岩溶系统结构类型,而这与岩溶系统的演化过程密切相关。岩溶系统的发育演化始于具有侵蚀性的水对可溶性岩体中裂隙的溶蚀扩展。基于此,本研究耦合了渗流模型和溶蚀扩展模型,并结合鸡公岭隧道区水文地质背景资料,建立了隧道区岩溶系统岩溶演化模拟模型,模拟再现了隧道区岩溶含水介质的发育情况。结果显示:随着岩溶系统的发育演化,整个系统中裂隙不断被溶蚀扩展,差异性溶蚀越来越显著,岩溶含水介质的非均质性越来越强;同时随着埋深的增加,岩溶发育程度及非均质性越来越弱;浅部和深部裂隙的平均溶蚀扩展率相差近1 500倍;鸡公岭隧道洞身标高处岩溶发育微弱,裂隙溶蚀扩展较小,仍为裂隙岩体,其等效渗透系数为0.51m/d,岩溶突水概率极低,隧道发生涌水时的涌水量为127.9m3/d,对隧道施工影响较小。     

基于不同渗流方程的岩溶隧道涌突水过程模拟

岩溶隧道开挖过程中突水发生机制复杂,本文以Darcy定律、Brinkman方程及Navier-Stokes(N-S)等渗流方程为基础,应用多场耦合数值分析工具,在计算模型中耦合Darcy流、Brinkman和N-S等不同的渗流控制方程,将深部含水层、隧道开挖破碎带和隧道临空面整个突水水流路径相连接,实现突水流动的全过程模拟。明月山隧道突水算例表明,在开挖扰动作用下,地下水沿节理裂隙流动导致隧道突水;单一裂隙水流速和水压较大,而多管道溶隙具有分流分压作用;隧道与断层呈小角度相交时流速较小,断层能起到截水的作用,而呈大角度相交时,断层不仅有导水的作用,更加剧了突水的流通。     

水压在底板突水中的力学作用

分析了水与水压在底板突水中的力学作用，即水对岩石的软化作用；水压对裂隙介质岩体的力学作用；水压在断层中的水楔作用；突水过程中水流的冲刷扩径作用和水压对突水的动力作用。     

考虑裂隙附加水压的岩体断裂强度分析

修建大坝、隧洞等工程活动必将对其周围岩体产生扰动,导致赋存于岩体裂隙中的水产生附加水压,从而使岩体在扰动荷载和裂隙水压作用下沿裂隙面失稳扩展。首先基于夹杂理论,推导出扰动荷载所引起的裂隙附加水压的解析式,并应用数值分析进行验证,然后分析裂隙附加水压随岩石力学性质、裂隙形状以及裂隙倾角的变化规律。其次,应用岩石压剪断裂准则,推导出考虑裂隙附加水压的岩体断裂强度解析式。最后结合算例,进一步探讨了裂隙附加水压对岩体断裂强度的影响规律。结果表明,裂隙附加水压降低了岩体断裂强度,增大了岩体发生断裂破坏的倾角范围,使岩体更易于沿裂隙面发生水力劈裂失稳破坏;另外,岩石弹性模量、裂隙形状因子以及裂隙倾角对裂隙附加水压有显著影响,岩体断裂强度随岩石弹性模量和裂隙形状因子的增大而增大,且随裂隙倾角的增大,其增大的趋势更加明显。     

吉莲高速公路钟家山隧道涌突水条件分析

钟家山隧道是吉莲高速重要的控制性工程之一,在施工期间多次发生突水突泥事故,并在山顶处形成塌陷坑。为查明涌突水来源及途径,综合利用了水文地质调查、水化学分析法、以荧光剂为示踪剂进行的地下水示踪实验等多种方法。水化学分析结果表明:隧道涌突水水化学类型为HCO3—Ca型水,主要来自于泥盆系砂页岩构造裂隙水,其次为与构造破碎带沟通的风化裂隙水、地表溪沟水,而与周边梓门桥段岩溶水无关。示踪实验结果表明:F5断层是阻水的,其南部的地下水不构成涌突水水源;与隧道大角度相交的F2、F3断层是主要的涌突水途径。     

岩溶隧道涌突水破坏模式分类及防突厚度研究

在岩溶山区进行隧址选择时,隧道与溶洞之间的防突岩体厚度是重要因素之一.在岩溶隧道修建过程中,若岩墙厚度保留过小,则岩溶水涌出造成安全事故、经济损失和工期延误.目前涌突水破坏分类较为笼统且大多忽略了隧道围岩的岩体结构对防突厚度的影响.本文首先从岩溶隧道围岩的结构类型、溶洞与隧道之间的相对大小和相对位置的角度进行涌突水破坏...     

现代深部岩溶研究进展与展望

现代深部岩溶问题是随着工程建设向复杂场地延伸而逐渐显现,由它带来的一系列地质工程问题对越岭隧道工程具有极强的控制性和危害性,如渝怀线圆梁山深埋特长越岭隧道工程出现的高压突水、突泥问题,既控制了工程的施工难度,又是一个极具挑战性的理论难题。综述了现代深部岩溶相关概念、发育类型、发育特征、形成机制等方面国内外研究现状,勾画了现代深部岩溶研究今后的重点,主要包括现代深部岩溶概念的厘定、现代深部岩溶工程地质分类及特征、现代深部岩溶受控因素、现代深部岩溶发育机制及演化、现代深部岩溶对越岭隧道工程控制作用等几方面的研究。     

隧洞断层破碎带岩体涌水量分析——安哥拉某水电站为例

隧道涌水量预测对隧道的设计和施工至关重要.笔者以安哥拉某水电站进厂交通洞涌水为例,基于涌水发生后实测的涌水量、水温、水化学、附近地下水位变化等特征,分析涌水成因.根据涌水洞段岩体透水性的不同,将隧洞断层区岩体划分为3个透水性段.根据建立的模型,采用流体力学伯努利方程对最大涌水量进行估算;利用稳定流裘布依理论公式对正常涌...     

岩体水力学基础(二)─—岩体水力学的基础理论

单裂隙水流立方定律是岩体水力学中最基本的．也是最重要的定理。本文从不变形平直等宽单裂隙水流运动定理开始，讨论了受应力作用岩体单裂隙、一组平行裂隙、一组正交裂隙以及岩体裂隙系统中水流运动规律，分析了单裂隙中水流渗透压力与裂隙变形之关系。运用水力学原理推导了岩溶单管道流定理，为岩体水力学模型研究奠定了基础。     

地下工程洞体突然涌水条件的力学分析

本文依据力学原理分析了地下工程洞体形成前后岩体内应力、应变特征,总结出松弛断裂型和底鼓突破型两类突水的力学条件。并提出了集中力在岩体内形成应力的静态液压分布原理。     

花梨隧道岩溶水文地质条件及危险性评估

花梨隧道是瓮开高速的控制性工程,其地质构造及岩溶水文地质条件较为复杂。采取现场地质调查、钻探、测量、室内岩土物理力学指标试验、电法物探等综合勘察手段,分析花梨隧道含水层岩性组合特征、可溶岩体系分布特征及岩溶水系统性,查清了其岩溶水文地质条件,并对涌突水危险性进行了分级评价。结果表明:（1）花梨隧道地表出露的可溶岩与非可溶岩,分为泥质粉砂岩组成的非可溶岩与灰岩组成的可溶岩两个体系;（2）花梨隧道预测正常涌水量为32 126.4 m3·d-1,隧道最大涌水量应按预测涌水量的2~6倍考虑;（3）花梨隧道可溶岩段内岩溶涌突水危险性总体为中等危险,其中极高危险段占总长度的16%。      

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。     

水压-应力耦合作用下灰岩力学特性试验

为探究富水饱和灰岩体在水压-应力耦合作用下的力学特性，利用自主研发的可实现单轴压缩的渗透试验装置对不同水压强度下的灰岩试样进行压缩破坏试验，测试灰岩应力-应变特性，分析水压对单轴抗压强度、弹性模量、变形模量的影响，灰岩破碎特性与水压强度相关性以及孔隙变化规律。研究表明:增加的水压强度对灰岩应力-应变和强度特性有显著的影响。随着水压强度增大，应力-应变曲线的压密阶段相对延长而弹性相对缩短，峰值强度呈指数减小而弹性模量和变形模量均呈线性下降，表明水压作用显著降低了灰岩脆性。另外，灰岩弹性模量、变形模量均与峰值强度呈线性关系。增大的水压强度对灰岩宏观断裂具有显著影响而未对其破坏类型造成影响，随水压强度增加，碎块均一系数和单位质量孔隙体积均呈指数函数增加。研究成果为隧道建设中富水岩体的开挖稳定性分析提供参考。      

高风险岩溶隧道掌子面突水机制研究

在我国西部强岩溶地区,越来越多的长大深埋隧道潜在突水、突泥的风险,由于隐伏岩溶水体位置、规模以及体量的不确定性,突水模式与类型异常复杂,隧道掌子面的突水风险系数极高。对于隧道开挖后围岩结构完整性较好的掌子面,在特大体量隐伏岩溶水体作用下,当开挖面进入安全厚度内迅速发生破断突水,具备明显的突变特征。针对隧道掌子面发生破断突水的突变特征,采用数值手段探讨了施工条件对突水突变现象的影响。将隧道简化为圆形,建立了掌子面失稳的折叠突变模型,通过对系统势能函数的分析,推导了隧道掌子面发生破断的突水条件和最小安全厚度计算公式,基于系统势能突变控制参数灾变演化路径的分析,提出了掌子面突水的具体防治措施,并结合工程实例验证了其可行性。