基于变形加固理论的隧洞与巷道开挖稳定分析

地下工程的开挖稳定和加固分析是岩土工程中的难题之一。变形加固理论是研究荷载超出结构极限承载力的理论,探求的目标是结构在承受荷载超出其极限承载力时维持稳定所需的最优加固力。给定荷载下结构出现不平衡力的区域即为首先破坏的区域;给定荷载下结构总是趋于加固力最小化、自承力最大化的状态。而整体稳定性可采用余能范数进行定量评价。基于三维非线性有限元方法,详细推导了不平衡力和塑性余能范数的表达式。通过典型深部隧洞与巷道开挖及加固的算例,对比分析了加固前后围岩内不平衡力的分布以及塑性余能范数的大小。结果表明,对围岩加固可在一定程度上提高围岩的强度和承载能力。     

基于变形加固理论的岩土边坡稳定和加固分析

传统的刚体极限平衡法和强度折减法在分析边坡稳定和加固时存在一定的局限性。基于变形加固理论,建立了基于弹塑性有限元分析的边坡稳定和加固分析方法。以余能范数作为边坡整体稳定评价的指标,通过强度参数降低过程中的余能范数的变化来确定边坡的整体稳定安全系数。加固的关键部位和加固力的大小通过边坡中不平衡力的分布来确定。滑动面则由方向相反的、成对的不平衡力的分界面来确定。针对3个经典边坡算例,分析了强度参数逐渐降低过程中的余能范数的变化和不平衡力的分布,确定了边坡的稳定安全系数以及相应的加固关键部位和加固力的大小。结果表明,变形加固理论基于岩土的三维非线性有限元分析,以此来进行边坡的稳定和加固分析是非常有效的,强度参数降低过程中不平衡力的发展演化过程反映的是边坡的破坏过程     

变形加固理论的力学基础与工程意义

变形加固理论是弹塑性结构稳定性理论,建立基于塑性余能的结构稳定性判据并确定阻止结构失稳的有效加固力。变形加固理论的核心是最小塑性余能原理：结构总是趋于塑性余能最小的变形状态,即自承载力最大、加固力最小的变形状态。完善最小塑性余能原理的证明,并提出弹塑性结构稳定状态的最小余能原理。阐明变形加固理论对有限元法的发展：揭示了不平衡力与修正Newton-Raphson算法的物理内涵。将变形加固理论与刚体极限平衡法对比,阐明其工程意义是对设计中采用的作用-抗力体系的发展,加固完整描述了作用与抗力之差。     

变形稳定理论在盐岩储气库优化设计中的应用

为解决盐岩储气库洞室形状以及库群布置的优化设计问题,将变形加固理论发展和完善为变形稳定理论,把塑性余能与强度折减系数的K-ΔE关系曲线作为储气库群的整体稳定性判据。在变形稳定理论的基础上,对不同形状和布置方式的洞室的整体稳定性进行定量评价,优化分析了洞室形状以及库群的布置方式,进而获得最具安全稳定性的洞室形状和布置方式。研究结果表明,变形稳定理论为盐岩储气库洞室形状和洞群布置方式的优化设计提供了一套实用有效的分析理论和方法。     

岩体结构变形破坏的内在驱动力-不平衡力

岩体结构的变形破坏是一个渐近过程,常规的强度设计与极限分析均无法描述这一过程。在回顾总结岩体结构破坏控制、变形控制的基础上,提出岩体结构变形破坏控制最终要落实到开裂控制上来。总结了岩体结构开裂计算的特点和难点,阐明了用不平衡力描述岩体结构变形破坏过程的理论依据。分别从单轴压缩试验、边坡开挖卸荷、拱坝坝踵坝趾开裂等3个具体的数值案例论证不平衡力与开裂破坏的内在相关性。提出了蓄水导致不可逆的谷幅变形也是不平衡力作用结果:裂隙水压力使屈服面收缩、原先处于屈服或临界屈服状态的岩体应力状态超出屈服面,产生不平衡力和不可逆的塑性变形。指出了不平衡力本质是岩体结构非平衡态到平衡态的距离,岩体结构非平衡演化的总体趋势服从最小塑性余能原理,进一步指出了无法消除的不平衡力是岩体结构变形破坏的内在驱动力。不平衡力不仅可以作为岩体结构变形破坏的判据,还能给出相应的加固措施,具有重要的工程意义。     

近置已有盐岩溶腔能源地下储库群特性研究

针对我国须采用密集库群来提高油气地下存储中资源利用率的现状,对近置已有盐岩溶腔库群运营模式下储库稳定性和收缩变形展开了研究。基于声纳测腔成果,建立了符合实际存在的单腔模型及库群模型。对模拟结果进行了对比分析,明确了库群运行模式对储库稳定性的影响规律。发现储库相对位置和深度的差异、夹层地层倾角的存在、相邻储库体积和形状的不等同3个因素会导致某些腔体的收缩变形不对称、腔体形变不规则;不同于单腔的最大位移区域固定出现在腰部,库群模式下受周围腔体的影响,而并无固定的腔壁位移最大点位置;呈现板状存在贯穿整个库群的泥岩刚度大、蠕变性能低,并且其和盐岩交界面的抗剪能力较强,可以提高库群的整体性和稳定性;考虑地层倾角的夹层变形特性成为对库群密闭性不利的影响因素,泥岩-盐岩交接面的拉伸以及泥岩夹层本身的扭转弯曲会使泥岩层产生裂隙,贯通的裂隙可导致各个腔体失去独自运行的能力,影响储库运行效率     

基于蓄水期反演的锦屏一级拱坝极限承载力分析

锦屏一级拱坝坝高为305 m,是世界上最高的拱坝。但是,其坝基岩性较差,f5、f8等断层在建基面出露,基础严重不对称等地质复杂性给锦屏一级拱坝的极限承载力分析评价带来很多不确定性。基于变形加固理论,使用三维非线性有限元程序TFINE,采用直接法和正倒垂测点监测值反演蓄水期坝体混凝土弹性模量和基础变形模量,并验证反演参数在锦屏一级蓄水期预测和极限承载力分析中的适用性。使用反演参数,对坝体正常运行的应力、位移进行仿真分析;采用屈服区、不平衡力、塑性余能范数、整体稳定性安全系数等指标,基于工程类比法,全面评价锦屏一级拱坝的极限承载力。对比反演参数和设计参数的计算结果,验证了设计参数的可靠度。结果表明,锦屏一级拱坝起裂安全系数K1为2倍超载,极限承载安全系数K3为8倍超载,锦屏一级拱坝具有较高的极限承载力,整体稳定性是有保证的。     

二元结构库岸边坡失稳机制试验研究

水位升降条件下库岸边坡变形失稳问题是水库建设中必须考虑的重要安全性问题。二元结构是库岸岩土体的一种特有结构,其变形破坏失稳有特殊的力学机制及规律。为揭示库岸边坡处于不同坡角及不同土岩界面倾角条件下的失稳机制,尤其是水位变化条件下库岸岩土体浸润线的分布及演化特征,文章通过构建水位升降条件下的二元结构库岸边坡物理实验模型,借助监测及摄影的技术手段观测边坡土体内浸润线及岩土体变形破坏特征,揭示二元结构库岸边坡的变形失稳机制。研究结果表明:二元结构库岸边坡在水位升降条件下整体坡角的改变会引发不同的变形破坏模式:55°边坡以垮塌失稳为主,35°边坡稳定性较好,45°边坡易发生由坡脚破坏牵引的局部失稳;土岩界面倾角对边坡稳定性也产生较大影响,较大的倾角易于引发坡体沿土岩界面发生滑动失稳。本研究结果可为揭示二元结构库岸边坡失稳致灾机制及有效防治提供借鉴。     

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。     

澜沧江某电站左岸地下洞室群围岩稳定性的FLAC~(3D)分析

在岩体结构模型概化的基础上,采用FLAC3D数值分析方法,系统研究了澜沧江某大型水电站大跨度、高边墙地下洞室群开挖完成后围岩的二次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征。总结了地下洞室群围岩应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律,为洞室群稳定性评价和工程施工设计提供了基础资料和参考依据。     

岩土工程加固分析的弹塑性力学基础

研究了弹塑性计算中不平衡力的性质,揭示了它和加固力、结构稳定性的密切关系。弹塑性有限元分析迭代过程实质上就是一个逐步消除不平衡力的过程。可以采用弹塑性分析中的不平衡力来指导加固设计：只要施加和不平衡力大小相 等、方向相反的加固力,结构就是平衡、稳定的。在所有加固方案里,弹塑性分析确定的加固力是最小的,并归结为应力转移的最小余能原理和加固力上限定理,弹塑性计算确定的加固力和真解相比偏于安全。拱坝计算实例表明,不平衡力分析对分析结构稳定性、指导加固设计是有助益的。     

基于非线性有限元的孟底沟拱坝数值模拟研究

孟底沟水电站是雅砻江中游第5个梯级电站,最大坝高200 m,所处位置地质条件复杂,保证其蓄水后良好的工作性态及整体稳定性对工程安全至关重要。通过建立孟底沟拱坝三维有限元模型,基于变形加固理论,分析了拱坝在正常工况和超载条件下位移变化、塑形区扩展规律及大坝整体稳定性。结果表明：孟底沟拱坝现设计方案的位移和超载稳定能力均能达到稳定要求。拱坝贴脚的设置显著降低了坝体和基础的塑性余能,对工程整体稳定性有利。对右岸f4断层两种置换处理方式的对比分析发现,浅表置换加洞井网格置换的处理方式对拱坝整体稳定性更为有利。     

利用煤炭开发地下空间储能的技术路径与地质保障

煤炭资源在我国能源结构中仍处于主体地位,但煤炭工业发展面临着“碳达峰碳中和”的新挑战。积极发展煤炭开发地下空间储能技术,是推动能源利用低碳化和清洁化的有效手段,也是保证我国能源战略安全的关键措施。结合当前储能技术,探讨了煤炭开发地下空间的利用现状,围绕利用煤炭开发地下空间抽水蓄能、热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能等储能新技术,重点阐述废弃矿井不同能源类型的储能理念及方式,系统分析储能过程中面临的地质保障关键技术难题。煤炭开发地下空间储能新技术总体思路为：利用煤炭开发地下空间所具有的低位势能差,将其用作梯级储水库(抽水蓄能);或直接将其用作储质、储能空间(热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能),既可提升煤炭开发地下空间资源的开发利用率,又可避免土地资源浪费,尽量降低对生态环境的扰动。虽然煤炭开发地下空间可作为大规模储能库,但其开发利用过程仍存在一些亟待解决的地质问题以及地质保障技术。主要包括：(1)地质条件与选址适宜性分析和安全性评价,即对储能空间的地质因素进行岩土工程性质和环境地质条件的系统研究,查明储能空间稳定性主控因素及其权重,构建选址指标体系与评价方法,重点查...     

岩土优势结构面的储运水效应

运用系统分析的方法和优势结构面理论,提出了岩土优势结构面的储运水效应的概念,并对它的几个应用方面进行了探讨,结果表明:①岩土体中存在各种类型的结构面,实际岩土工程中的稳定、渗透和突水问题一般是由优势结构面所引起;②在找出优势结构面即富水优势断裂的基础上,确定优势井位、优势井深,可确保缺水地区找水的成功;③地下突水与优势结构面关系密切,但只有具备了多种储运水优势指标的优势结构面才是富水的,才有可能导致突水事故;④在降水和其它地表水的作用下,水将优先向边坡中优势结构面发生渗漏,而水的浸入又加速了土体的软化及结构面的生成,水与结构面相互促进,形成了恶性循环,最后导致滑坡的产生;⑤堤、坝及其地基中的优势面和优势层的存在是内在因素,而水是外在因素。内外因素的联合作用下可能导致堤坝的渗透、变形和破坏。