考虑地震波激振方向的浅埋偏压双联拱黄土隧道动力响应规律研究

以实际工程为背景,在模型试验结果和数值模拟结果验证合理的基础上,通过建立三维数值模型,研究兰州人工波在不同激振方向下坡-隧体系动力响应规律,通过小波包变换从能量和频域角度对衬砌结构动力响应规律进行分析。研究结果表明：水平、竖直面内垂直隧道轴向(X、Z)的地震波在隧道最大埋深处引起较大响应,水平面平行于隧道轴向的地震波(Y)对埋深较浅的洞口处的结构最为不利。频率在0～12.5 Hz范围内的低频波是引起隧道结构响应的主要波段,该频段中竖直向地震波(Z)能量相较于其他方向地震波能量占比最高。地震作用中衬砌结构的存在对坡体内的围岩变形有一定的抑制效应。X、Y向地震波容易引起坡脚附近的围岩发生剪切破坏,Y向地震波对隧道洞口段仰坡的稳定性影响最大;Z向地震波容易造成坡顶附近区域围岩的拉伸破坏,且对隧道拱顶附近产生最不利响应。研究成果对浅埋偏压双联拱隧道的抗震优化设计具有借鉴意义。     

双洞八车道大断面隧道地震动力响应数值分析

为研究双洞八车道超大断面隧道在地震力作用下的动力响应特征,以平潭综合实验区牛寨山隧道为工程背景,建立双洞八车道隧道的三维有限元数值计算模型。采用时程分析方法,在模型底部输入水平向地震动荷载,计算隧道结构在地震动荷载作用下的响应,包括位移、加速度及应力的变化。结果表明:最大水平和竖向位移出现在拱顶处,南线浅埋隧道整体呈剪切响应;隧道最大水平加速度出现在南线隧道拱顶偏左处,最大垂直加速度出现在南线隧道拱顶偏右处,南线隧道洞口由于浅埋,关键部位响应差较北线要大;南线的右拱肩埋深最浅,该部位拉应力最大,而北线拱顶的拉应力区最大,拱脚也出现明显的拉或压应力。建议在隧道洞口段的拱顶、拱脚及埋深最浅的部位应加强抗震设防。     

含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性

以某隧道为背景,通过地质条件分析并结合FLAC3D数值模拟手段,采用对比含有厚层软弱夹层和不含软弱夹层的2个不同模型的方法,从地应力变化、塑性区开展、变形、下覆岩体受压和位移等角度分析了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性。发现对于含厚层软弱夹层和不含软弱夹层的这2个不同模型,地应力的差别较小,但都为不含节理的岩体的0.5倍或更小,因此认为节理是影响含厚层软弱夹层硬质围岩变性破坏的因素之一;而2个模型在塑性区开展、变形量、下覆岩体受压和位移等方面差别较大,因此认为厚层软弱夹层对硬质围岩的变形破坏起着显著作用。同时通过创建三维模型采用分步开挖的方法,模拟了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏过程,分析认为其具有隐蔽性和发生时间不确定性的特点。研究结果可为类似地质情况的隧道建设提供参考。     

基于压力拱理论的围岩压力计算研究

按照弹塑性理论,应用数值模拟的方法,通过对比隧道开挖前、后围岩的主应力矢量图,得到隧道开挖后,其周边围岩的主应力矢量方向发生了偏转,形成了压力拱;通过分析拱顶上方的应力状态,提出了压力拱成拱临界埋深和压力拱计算边界的概念;以铁路隧道参考图为准,分析了隧道埋深、跨度及围岩性质等因素对成拱临界埋深和计算边界的影响。经过分析,压力拱临界埋深与计算边界均随着跨度与围岩级别的增大而增大,且呈现一定的规律。通过多元非线性回归分析,得到了临界埋深和计算边界的计算公式,以此得出围岩压力的计算公式,并与《铁路隧道设计规范》所推荐的公式计算得到的围岩压力进行对比,结果表明,通过压力拱理论计算得到的围岩压力较规范要大,且随着围岩级别的增大,两者差值逐渐减小,其中Ⅴ级围岩最为接近。     

基于压力拱理论的围岩压力计算研究

按照弹塑性理论,应用数值模拟的方法,通过对比隧道开挖前、后围岩的主应力矢量图,得到隧道开挖后,其周边围岩的主应力矢量方向发生了偏转,形成了压力拱;通过分析拱顶上方的应力状态,提出了压力拱成拱临界埋深和压力拱计算边界的概念;以铁路隧道参考图为准,分析了隧道埋深、跨度及围岩性质等因素对成拱临界埋深和计算边界的影响。经过分析,压力拱临界埋深与计算边界均随着跨度与围岩级别的增大而增大,且呈现一定的规律。通过多元非线性回归分析,得到了临界埋深和计算边界的计算公式,以此得出围岩压力的计算公式,并与《铁路隧道设计规范》所推荐的公式计算得到的围岩压力进行对比,结果表明,通过压力拱理论计算得到的围岩压力较规范要大,且随着围岩级别的增大,两者差值逐渐减小,其中Ⅴ级围岩最为接近。     

双向地震耦合作用下浅埋偏压黄土隧道共振特性研究

历次震害表明隧道等地下结构受地震影响较大,当地震动的卓越频率与结构的固有频率一致时,引发的共振会对结构产生更严重的破坏。针对共振这一地震中的特殊现象,通过ANSYS分析研究浅埋偏压黄土隧道在双向地震耦合作用下隧道衬砌各处的共振响应和围岩至衬砌段共振响应峰值的变化规律,同时考虑偏压角度和断面最大跨径对共振响应峰值的影响。研究结果表明：浅埋偏压黄土隧道具有多阶固有频率,衬砌的位移和应力均出现了共振现象且共振不表现出结构的自振频率特征;从围岩至衬砌段的共振响应具有放大效应;水平位移峰值随偏压角度的增大而减小;适当增大断面最大跨径对于抵抗共振是有利的;拱腰和拱脚处的主应力受共振影响较大,在隧道的抗震设计中应予以加强。     

高烈度区公路隧道横通道地震响应分析

双洞隧道主隧道与横通道交接部位是隧道抗震中的薄弱位置,以穿越高烈度区隧道为背景,采用MIDAS GTS-NX有限元分析软件,对在汶川地震动作用下的公路隧道横通道进行地震响应分析。在X方向和Y方向地震动荷载的共同作用下,通过对围岩和衬砌的计算结果研究,得出以下结论:隧道整体的最大相对位移主要发生在主隧道与横通道拱顶和连接处;衬砌相对位移随埋深增加而减小;隧道产生的横向变形更大;横通道边墙位置更容易受到剪切破坏,主隧道与横通道连接处拱脚的弯矩、剪力、最大主应力和最大剪应力最大,应重点采取设防措施。     

软土地区浅埋偏压小净距隧道空间效应研究

通过对本构破坏准则的探讨,选取Mohr-Coulomb等面积圆屈服理论作为模型的破坏准则,将岩体的c、(φ)值进行修正,使其更适合于软土地区浅埋偏压的小净距隧道,进而建立有限元三维弹塑性数值模型,对米家寨隧道空间效应进行模拟,研究软土体中浅埋偏压小净距隧道施工过程中开挖面的空间约束作用,并对其双线隧道开挖面的合理间距作出分析.以米家寨隧道为例,开挖面对纵向20 m以内围岩具有一定的空间约束作用、30 m以内围岩具显著的空间约束作用且塑性应变较大,左右线隧道开挖面纵向合理间距应控制在30 m左右,通过Matlab计算机编程和再进行工地现场的监测,分析数据证实了所得结论的正确性,为实际的工程提供了理论依据.     

内蒙古北山地区地球物理场特征与构造分区及深部结构研究

内蒙古北山地区构造分区和深部结构历来为众多地质学家所关注,本研究从地球物理入手,采用有效的技术方法对区域重磁资料进行了处理分析,根据数据处理后的解释结果,将研究区划分为哈萨克斯坦板块东缘构造区和塔里木板块北缘两大Ⅰ级构造区以及6大Ⅱ级构造小区.推断划分北西向深大断裂构造带5条和北东向断裂构造7条.初步判断、圈定出多处磁性块体,并划分出基性岩体、中酸性岩体的分布若干处.结合重磁、地震和地质资料,对深部构造、莫氏界面和基底起伏进行了分析研究.研究结果深化了区域地质和深部构造认识,对研究区内成矿规律研究和矿产资源勘查具有一定的指示意义.     

二岩体系统破坏全过程的数值模拟和实验研究

利用岩石破裂过程分析RFPA2D软件系统对不同岩性的二岩体相互作用系统受力破坏过程进行了数值模拟。并与大理岩- 花岗岩组成的双试样串联加载变形及声发射实验结果进行了比较,解释了由破裂体与非破裂体组成的岩体系统失稳破裂前一些微震前兆规律,包括微破裂迁移、变形局部化等。对于地震失稳破坏现象的研究结果表明,弹性回弹区的性质与研究失稳破裂区的性质具有同等重要性。     

断层脆塑性转化带的强度与变形机制及其流体和应变速率的影响

野外、实验和地震数据表明:浅部地壳的变形以脆性破裂为主,深部地壳的变形以晶体塑性流动为主.在这种认识的基础上,提出了地壳变形的2种机制模型,即发生脆性变形的上部地壳强度基于Byerlee摩擦定律以及发生塑性变形的下部地壳强度基于幂次蠕变定律.而位于其间的脆塑性转化带的深度与浅源地震深度的下限具有很好的一致性.然而,二元结构的流变模型局限性在于其力学模型过于简单,往往过高估计了脆塑性转化带的强度.问题的根源在于对脆塑性转化带的变形机制的研究已有很多,但没有定量的力学方程来描述脆塑性转化带强度;而且以往对断层脆塑性转化带的研究主要集中在温度引起的脆塑性转化方面,对因应变速率和流体对脆塑性转化的影响方面的研究也比较薄弱.对断层带内矿物变形机制研究表明,某些断层带脆塑性转化发生在相同深度(温度和压力)内,发生脆塑性转化的原因是应变速率的变化,而这种变化被认为与地震周期的同震、震后-间震期蠕变有关,这种变化得到了主震-余震深度分布变化的证实.对断层流体特征分析表明,断层带内可能存在高压流体,这种高压流体会随断裂带的破裂及愈合而周期性变化,在地震孕育及循环中起着关键性作用.高压流体的形成(裂隙愈合)有多种机理,其中,压溶是断层带裂隙愈合的主导机制之一.研究在水作用下的压溶,可以对传统的摩擦-流变二元地壳强度结构及其断层强度进行补充与修正.通过以上分析,认为有必要通过野外变形样品和高温高压实验,深入研究应变速率及流体压力对断层脆塑性转化的影响,同时,通过实验建立压溶蠕变的方程,近似地估计脆塑性转化带的强度.     

DEFORMATION OF THE BRITTLE-PLASTIC TRANSITION ZONE AT THE POST-SEISMIC RELAXATION PERIOD: A CASE STUDY OF THE RED RIVER FAULT

The transition from microscopic brittle deformation to microscopic plastic deformation is called brittle-plastic transition, which is considered as a key layer for determining the limit of lower continental crust seismicity. The depth and deformation mechanism of the brittle-plastic transition zone is controlled mainly by temperature. Besides, the strain rate and fluid pore pressure also affect the transition during the different deformation stages at the seismic cycle. In this paper, microstructure observation of catalcastic samples collected from the Red River Fault was carried out using optical polarized microscopy and scanning electron microscopy. The morphology, microstructures of deformation characteristics, mineral composition, water-rock reaction, pressure solution, exsolution, crack healing in the samples were systematically observed. The mineral components quantitative analyses were examined using the EDS. Water-rock reaction and pressure solution were systematically observed under SEM. The fabric of the main minerals in the samples was measured using electron backscattered diffraction(EBSD). Based on these analyses, the deformation mode was setup for the brittle-plastic transition zone of the fault during the post-seismic relaxation period. Both brittle deformation and plastic deformation were developed in the cataclastic samples. EBSD data shows that the c axial fabrics of quartz present low-temperature plastic deformation characteristics. The feldspar deformed as cataclastic rock, and the micro-fracture in feldspar was healed by static recrystallized quartz and calcite veins. The calcite vein underwent plastic deformation, which represents the post-seismic relaxation deformation. Based on the analysis of deformation mechanism of cataclastic samples in brittle-plastic transition zone of the Red River Fault, and combined with previous studies, we concluded that the brittle fracture and fracture healing is the main deformation mode at brittle-plastic transition zone in the post-seismic relaxation. High stress and high strain rate at post-seismic relaxation lead to brittle fracture of high-strength minerals such as feldspar in rocks. Plastic deformation occurs in low-strength minerals such as quartz and mica. Under the fluid condition, micro-fractures were healed by quartz and calcite. The minerals such as quartz and calcite in the fracture transformed from static recrystallization to dynamic recrystallization with stress gradually accumulating. With fracture healing and stress accumulation, the fault strength gradually increases which could accumulate energy for the next earthquake.     

基于能量耗散原理的非均质岩石损伤破坏元胞自动机模型研究

基于能量耗散理论建立非均质岩石的动态损伤破坏元胞自动机,分析单轴压缩试验中岩石破坏截面的损伤状态,得到该情况下的岩石裂隙微观动态发展过程、损伤演化关系以及全程应力应变曲线。研究发现：①加载过程中,均质度较低的岩样裂纹的萌生和扩展较为分散,损伤速率低;均质度较高的岩样裂纹的萌生和扩展非常集中,表现为脆性破坏。②损伤演化曲线呈3阶段S形发展。③随着岩石均质度参数的增加,岩石的峰值强度和峰值应变都有所提高,峰后曲线越来越陡。④给出的衡量岩石脆性破坏强弱程度的指标参数,能够较好地描述岩石破坏形式随着均值度参数m变化的规律。     

岩石损伤模量分析

从能量的角度出发定义损伤变量,通过应力-应变曲线卸载段有效应力与总应力之间的假定关系,确定损伤模量的计算方法。在单轴和三轴条件下,对岩石损伤相关参数进行统计研究,重点对损伤模量进行计算和对比分析。结果表明,单轴及低围压下损伤模量基本呈逐渐减小的趋势,而随着围压的增大,损伤模量呈先减小后保持动态稳定的趋势。损伤变量的计算充分考虑到围压的影响,可进一步增进对岩石损伤的认识。     

Evaluation of the range of horizontal stresses in the earth's upper crust by using a collinear crack model

Vertical stresses in the earth's upper crust may be evaluated by the depth times the average unit weight of the overlying rock mass; however, the horizontal stress is difficult to obtain. Rock usually contains joints or cracks, and its fracture toughness is limited. If the horizontal stress acting on a cracked rock body exceeds a certain range, the crack will propagate and lead to rock fracture; and if a cracked rock is stable, the horizontal stress must be within a certain range. Therefore, from the stability condition of cracks, the range of horizontal stress can be evaluated. In this paper, a collinear crack model is employed to establish the cracked rock stability condition, and our theoretical results generally agree with the in-situ measurement results. The theoretical results can well explain the phenomenon that the ratio of horizontal stress to vertical stress near crust surface is scattered in a wide range, but in deep zone, it is scattered in a narrow range.     

Influence of geostatic stresses on permeability of jointed rock masses

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｇｅｏｓｔａｔｉｃｓｔｒｅｓｅｓｏｎｐｅｒｍｅａｂｉｌｉ┐ｔｙｏｆｊｏｉｎｔｅｄｒｏｃｋｍａｓｅｓＣＵＡＮＧ－ＢＢＩＮＧＺＨＯＵ（周创兵）ａｎｄＷＥＮ－ＬＩＮＸＩＯＮＧ（熊文林）ＷｕｈａｎＵｎｉｕｅｒｓｉｔｙｏｆＨｙｄｒａｕｌ...     

Influence of confining pressure and impact loading on mechanical properties of amphibolite and sericite-quartz schist

In order to investigate the dynamic mechanical properties of amphibolite and sericite-quartz schist under confi ning pressure, two rocks are subjected to impact loadings with different strain rates and confi ning pressures by using split Hopkinson pressure bar equipment with a confi ning pressure device. Based on the experimental results, the stress-strain curves are analyzed and the effects of confi ning pressure and strain rates on the dynamic compressive strength, peak strain and failure mode are summarized. The results show that:(1) The characteristics of two rocks in the ascent stage of the stressstrain curve are basically the same, but in the descent stage, the rocks gradually show plastic deformation characteristics as the confi ning pressure increases.(2) The dynamic compressive strength and peak strain of two rocks increase as the strain rate increases and the confi ning pressure effects are obvious.(3) Due to the effect of confi ning pressure, the normal stress on the damage surface of the rock increases correspondingly, the bearing capacity of the crack friction exceeds the material cohesion and the slippage of the fractured rock is controlled, which all lead to the compression and shear failure mode of rock. The theoretical analysis and experimental methods to study the dynamic failure mode and other related characteristics of rock are useful in developing standards for engineering practice.     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

区域性节理控制的反倾岩质斜坡水力劈裂破坏机制——以北京“8·11”大安山岩质崩塌为例

以2018年"8·11"大安山反倾岩质崩塌为研究对象,通过对大安山地区区域性节理、崩塌及斜坡结构、危岩体变形特征等进行调查研究,运用水力劈裂理论,剖析大安山崩塌机制。研究结果表明:在区域性节理和差异性风化共同作用下,大安山地区发育大量高20~50 m高陡反倾岩质斜坡,为崩塌灾害发生提供充分条件;同时,节理裂隙网络与强硬岩层的空间组合为降雨入渗、运移、储藏提供了良好的地质条件,当遭遇降雨时,雨水沿岩体裂隙渗流并充满裂隙,在降雨停止后短期内,裂隙受高水头作用仍发生水力劈裂,致使裂隙发生扩展贯通,并最终导致危岩体失稳崩塌。