引潮力作用下饱和地质岩体的力学响应

本文应用孔隙弹性理论,探讨了引潮力作用下饱和地质岩体的力学响应.首先通过引潮力作用下饱和岩体的自由能表达式,得到岩体孔压与应力、应力与应变之间的关系;然后从引潮力作用下饱和岩体的平衡微分方程出发,结合流-固耦合理论,分析了饱水岩体应变与引潮位之间的关系;最后推导出饱和岩体的两大力学物理量--孔压和潮汐应力(平均应力)与引潮位之间的物理关系.模型表明:饱和岩体孔压与引潮位成反比,平均潮汐应力与引潮位成正比;比例系数不仅与岩体骨架的Lame系数有关,而且与Biot模量有关.将模型应用于会理川-18井水位变化分析,估计出水位响应系数D,并以此为基础,求得岩体孔压、潮汐应力与引潮位的相关系数(A和C)及Skempton系数B.最后对比分析了耦合条件下与不考虑耦合时得到的各参数之间的差异,分析表明:对饱和地质岩体而言,应力、孔压对引潮力的响应是流-固耦合作用的产物;研究其力学响应时必须充分考虑耦合效应.模型的建立,为研究引潮力作用下井-承压含水层系统力学、水动力学、与地震有关的断层力学以及引潮力触发机制的定量研究提供了基础.     

地铁车站与隧道连接处地震响应分析

结构截面刚度突变处是地下结构抗震的薄弱部位,为研究地铁车站与隧道连接处的地震响应,本文建立有限差分数值模型,分析地震作用下车站与隧道连接处的薄弱部位、连接处附近的侧墙变形分布特征以及地表沉降分布特征,重点探究埋深、地震动特征以及周围土体刚度对连接处隧道应力的影响。结果表明:连接处端墙底部跨中、端墙洞口的顶部和底部是抗震的薄弱部位;连接处端墙存在对侧墙变形分布、地表沉降分布有一定影响;结构埋深,地震动频谱、幅值对连接处隧道应力响应有较大影响,结构周围土体的刚度在一定范围内对连接处隧道应力有较大影响。     

变刚度隧道纵向简化地震响应分析方法

土结相互作用法在隧道纵向抗震分析中应用广泛,但现有方法不适用于变刚度隧道。本文根据隧道的动力响应特点提出力学假定,将变刚度隧道简化为处在均质各向同性土层中的两段半无限长弹性地基梁。通过求解隧道的位移微分方程,推导出变刚度隧道纵向地震响应的解析表达式,并引入位移相位角模拟行波效应,提出了变刚度隧道纵向抗震拟静力法。通过与有限元基准模型在相同计算参数下的结果对比,验证了本文方法的有效性和可行性。最后应用本文给出的解析公式进行了变刚度隧道参数敏感性分析,揭示了各种因素对变刚度隧道地震响应的影响规律。本文所提方法实用有效,可为今后变刚度隧道的抗震设计提供指导。     

地震动非一致性对隧道动力响应的影响分析

针对隧道的抗震安全性,借助有限元软件平台对其地震时程响应进行非线性有限元分析。利用弹性模型考虑混凝土隧道在循环荷载作用下的拉、压应力-应变关系,同时对土体采用MohrCoulomb模型,选用人工边界作为边界条件,以人工合成的多点地震加速度时程作为地震动输入,分别考虑一致输入、行波效应、相干效应及行波加相干效应对隧道的影响。分析结果表明,与一致激励的计算结果相比,非一致地震激励会显著增加隧道结构的内力和位移响应,从而对隧道抗震产生不利影响。研究结论可为长隧道结构的抗震设计和分析提供科学依据。     

雁列断层应力场影响因素数值模拟分析

利用有限元法,建立具有黏弹性力学参数的断层接触对,采用对比分析的方法,通过改变雁列断层的几何间距和黏滞系数,分析影响雁列断层构造应力场的因素和分布状态,模拟出雁列断层在失稳过程中,地震所产生的应力降和应力应变等以及第一、第二、第三主应力与断层之间的角度关系等。     

环形橡胶支座力学性能试验研究与有限元分析

随着环形橡胶支座在文物及大型设备隔震等方面应用需求的增长,对环形橡胶支座的力学性能的准确掌握越来越重要。目前,虽然部分学者已提出环形橡胶支座的水平与竖向刚度的计算公式,但其对不同参数特征的环形橡胶支座的适应性还未经过试验验证,此外,支座水平与竖向刚度的压应力相关性也亟需进一步研究。因此,聚焦环形橡胶支座的水平与竖向力学性能,通过试验对现有计算公式进行评估,并重点研究支座的水平与竖向刚度的压应力相关性;基于试验建立环形橡胶支座的有限元模型,参数化分析不同特征参数的环形橡胶支座在不同压应力及水平剪应变下的水平刚度、竖向刚度及其内部应力分布变化规律,并量化分析不同压应力与剪应变对支座各项力学性能的影响。研究结果表明：环形橡胶支座的水平与竖向刚度均呈现出显著的压应力相关性;第一形状系数与第二形状系数对环形橡胶支座的水平与竖向力学性能均产生影响,第一形状系数对支座的竖向等效刚度与等效应力影响更大,而第二形状系数对支座的水平等效刚度影响更大;在不同加载工况下,环形橡胶支座内钢板层的Mise等效应力均远大于橡胶层。     

基于粘性-滑移界面接触模型半空间隧道衬砌对平面P波的散射

基于粘性-滑移模型模拟隧道衬砌和围岩之间的接触状态,采用间接边界积分方程法求解弹性半空间中隧道衬砌对平面P波的散射,着重考察了地表位移放大和衬砌动应力集中效应。结果表明:接触滑移边界的刚度系数和粘度系数对隧道衬砌的动应力分布影响较大,滑移刚度较小时,共振频率段动应力集中效果更加显著;随着粘度系数的增大,衬砌内部环向应力幅值逐渐减小。另外,界面刚度系数和粘度系数对隧道衬砌动力反应的影响程度也受控于入射频率和角度。     

基于修正岩土体强度参数的简化纽马克位移法地震滑坡危险性快速评估技术

地震滑坡危险性评估可为震后应急响应等提供科学的决策依据。纽马克位移法可不依赖同震滑坡编目快速评估同震滑坡危险性。工程岩体物理力学参数是该方法的核心参数之一,但其赋值过于单一,难以反映复杂地质背景下岩体强度的空间差异性。针对上述问题,本文在分析地震滑坡影响因子的基础上,选择距断层距离、高程和距水系距离作为影响岩体强度的评价指标并建立岩体强度评价模型,获得区域岩体强度修正系数,进而修正传统方法的临界加速度。结合震后的即时地震动峰值加速度,采用简化纽马克位移法计算边坡累积位移,开展地震滑坡危险性快速评估,并以汶川M_W7.9地震的地震滑坡危险性评估为例验证本文方法。结果表明,相对于传统方法,本文方法划分的地震滑坡危险区与同震滑坡分布更加一致。      

考虑结构性和主应力轴偏转的黄土填料挡土墙地震被动土压力研究

针对黄土地区现有的地震荷载作用下挡土墙土压力计算方法中的不足,进行了4个含水量和3个围压的平面应变试验,首次建立了平面应变强度参数与结构性的关系,扩展了被动状态下考虑应力主轴偏转的粘性土侧土压力系数计算公式,采用水平微分层分析方法,提出了一种地震作用下同时考虑黄土结构性和主应力轴偏转的挡土墙被动土压力计算方法。参数分析结果表明平面应变条件下地震被动土压力均大于三轴条件下,结构性土地震被动土压力大于无结构性土,墙土面有摩擦时地震被动土压力大于墙土面光滑时;地震被动土压力随水平和竖向地震加速度系数的增大而减小、随摩擦角、均布荷载、墙土摩擦角、粘聚力、构度指标的增大而增大。黄土地区地震被动土压力计算应综合考虑平面应变强度参数、结构性和墙土摩擦效应的影响。     

考虑进洞高程效应的黄土隧道洞口段地震动力响应特征研究

通过大型振动台模型试验并采用Midas-GTS有限元软件进行模拟计算,研究黄土隧道洞口段在地震作用下的动力响应特征、破坏过程和地震波在模型中的传递规律,分析影响黄土隧道洞口段地震动力响应的主要因素。结果表明:边坡沿弧形开裂面的垮塌受坡脚剪切和坡顶拉裂的共同作用;边坡会对其卓越频率内的地震波产生明显放大效应,且在1/2坡高以上放大效应出现饱和现象;隧道临空面是影响隧道洞口段地震动力响应的主要因素。考虑进洞高程效应时隧道洞口段抗震设防长度可取距洞口5倍洞径范围。振动台模型试验与数值计算在位移、加速度、应力三个响应特征上吻合较好,证明二者结果合理可靠。研究成果可为隧道工程设计和地下结构抗震理论研究提供有益参考。     

地震作用下节理岩质边坡稳定性影响因素研究

汶川地震灾害调查表明,在基岩山区地震滑塌主要发育在局部强度相对较大、节理较发育的厚层或块状岩体中.以岩石中含两组节理的岩质边坡为例,输入实际的地震记录,采用离散单元法进行数值模拟,分别探讨坡高、地震烈度、坡角及节理倾角组合对节理岩质边坡稳定性的影响.结果表明:地震作用下坡体中质点的加速度、速度具有高程放大效应;节理岩质边坡稳定性随着坡高、坡角和地震烈度的增加而降低;两组节理不同组合的岩质边坡,其稳定性变化较为复杂,受节理倾角与坡角的关系、节理的倾向、两组节理之间夹角等因素的影响.节理岩质边坡在地震作用下是受拉区逐渐向受剪区扩展而最终导致边坡失稳破坏,是受拉和受剪的复合破坏.上述初步结论为评价山区节理较发育的岩质边坡在地震作用下的稳定性提供一定的依据.     

地震作用下深埋隧道围岩形变的数值模拟研究

隧道围岩受地震荷载作用影响产生开裂变形,给交通、安全与经济带来极大影响,为提升隧道安全稳定性能,以某市隧道为对象,研究地震作用下深埋隧道围岩形变的数值模拟。综合考虑地震动作用与地震波扩散特性,利用FLAC软件构建三维动力模型;通过边界设置解决地震波反射问题,基于物理力学参数与地震荷载条件,通过相对变形法研究地震条件下深埋隧道围岩变形特性、能量聚集特性与安全性能。研究结果显示:深埋隧道围岩受地震荷载作用影响,形成挤让、椭圆化的变形走向;变形达到最高值时,应变能量密度高于2350 J/m^3的区域集中在隧道Ⅰ洞左侧围岩边墙和中夹岩柱上;各监测点安全系数呈非对称性,隧道右侧下角区域安全系数低于国家相关标准,计算结果与实际测量结果一致。     

Seismic performance analysis of underground structures based on random field model of soil mechanical parameters

Soils with spatial variability are the product of natural history. The mechanical properties tested by soil samples from boreholes in the same soil layer may be different. Underground structure service in surrounding soils, their seismic response is controlled by the deformation of the surrounding soils. The variability of soil mechanical parameters was not considered in the current research on the seismic response of underground structures. Therefore, a random field model was established to describe the spatial variability of surrounding soils based on the random field theory. Then the seismic response of underground structures in the random field was simulated based on the time-domain explicit global FEM analysis, and the soil mechanical parameters and earthquake intensity influencing the seismic response of surrounding soils and underground structures were studied. Numerical results presented that, the randomness of soil parameters does not change the plastic deformation mode of surrounding soils significantly. The variation coefficients of inter-story deformation of structures and lateral deformation of columns are much smaller than that of mechanical parameters, and the randomness of soil parameters has no obvious effect on the structural deformation response.     

基于数值流形法的反倾层状岩质边坡倾倒破坏分析

边坡破坏是累积性过程，从变形到破坏的过程中会产生永久位移，如果永久位移过大，极有可能产生滑坡。因此根据不同工况下采集到的位移数据，分析地震作用下反倾层状岩质边坡在不同内摩擦角下的破坏特征。利用二维数值流形法（NMM），以青藏高原金沙江流域西藏昌都地区芒康县索多西乡贡扎倾倒滑坡为研究对象，依据实地考察数据及室内力学试验得到的物理力学参数，建立数值计算模型，模拟地震作用下反倾层状岩质边坡倾倒破坏过程，并在边坡上布置3组监测点获取位移数据。模拟结果表明:随着内摩擦角的增大，边坡坡体从开始破坏到新的平衡状态和达到最大位移所需的时间越短，同时，滑动块体最大水平位移逐渐减小；内摩擦角＜40°时，坡体在前15 s呈整体移动趋势，大部分岩块产生整体滑移，靠近坡顶处的岩块发生轻微转动，推动前面的岩块加速滑动，呈倾倒-滑移模式；内摩擦角＞40°时，靠近坡顶的岩块首先产生滑动，并转动驱使前面的岩块，推动坡脚处岩块产生滑动，最终上部岩块达到新的平衡，呈渐进式倾倒破坏，产生整体性破坏的可能性较小。     

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。     

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。     

Relation between seismic source parameters and mechanical properties of rocks: A case study

This study attempts to determine the relation between source parameters and mechanical properties of the rock matrix in which the microseismic events occur. For this purpose, accurate geological, mechanical and seismological data were acquired on a gas field experiencing induced seismicity due to its reservoir pressure drop. More than 30 deep boreholes (depth greater than 4 km) are concentrated in a 10×10×5 km volume, providing core samples for both geological and mechanical assessment. In this study, we focus on induced seismic events recorded by the local seismic network, over a three-year-long period. Characteristics of the seismic sources were obtained using spectral analysis and a dynamic model of failure. Results point out correlation between physical parameters of the seismic sources and the geomechanical properties of the rocks involved. Maximal static stress drops are found to be associated with the mechanical strength of the geological strata where the rupture occurs. The fracture size, using a circular model of failure, is also found to be dependent on the geomechanical setting. It is found that the size of the seismic fractures is dependent on the layer thickness and the prefracturation of the medium, both factors influencing the extension of preexisting discontinuities. The parameters of the seismic sources also show important changes when the gas reservoir is reached. The reservoir unit experienced a 45 MPa pore fluid pressure drop over a period of 20 years.     

断层活动方式与地震地表变形分布特征研究

基于断层弹性位错理论及断层滑动非均匀模型,用三维有限元方法计算了发震断层逆断、正断和水平走滑三种不同活动方式下的地表变形,探讨了断层不同活动方式下的地震应变与位移的分布规律及震级、断层倾角对地震地表变形分布的影响。研究结果表明,地震地表变形影响因素很多,如地质构造条件、岩性介质特征、断层活动强度、断层产状和区域构造应力场等,但分布形态最终决定于断层活动方式,变形大小则决定于断层活动强度,其它均为局地因素,只影响分布形态的局部扭曲。断层不同活动方式下的地震地表变形分布各有其自身的规律和特点,这些分布特征可作为地震研究及近活动断层建筑工程抗震设计或加固防护参考。     

隧道与临近地面结构动力相互作用规律数值模拟

通过建立不同场地条件下隧道-土-上部结构相互作用的模型,研究有、无上部结构存在、场地条件和地震波频谱特性对隧道-土-上部结构体系地震响应的影响.计算结果表明:(1)对于隧道等地下结构,其地震响应主要受场地条件影响,不同场地条件隧道动内力值相差巨大,设计时应引起足够重视,相比之下有、无邻近上部结构对其影响较小;(2)S波...