《灾害环境下重大工程安全性的基础研究》专著由科学出版社出版

在2007年1月北京召开的2006年度项目总结工作会议上,首席科学家谢和平院士与冯夏庭研究员要求本项目各课题联合推出一本反映本项目研究成果的专著。项目办公室分别于2007年5月和10月在武汉、北京组织了两次项目专著统稿会,力求使这本专著能够全面反映本项目的研究成果,突出研究重点。项目主要研究成员历时近两年的认真细致的编写、校正等工作。2008年底,科学出版社完成了专著《灾害环境下重大工程安全性的基础研究》出版工作。     

山区公路边坡地质灾害数据库及统计分析

边坡稳定性受多种内外因素的综合影响,正确地认识各影响因素的特征及其对公路边坡稳定性的影响程度,有助于对边坡进行合理的评价,并采取经济有效的防护措施。本文在现场工程地质调查和文献调研的基础上,搜集了622个典型山区公路边坡的地质资料及灾害资料,建立了山区公路边坡地质灾害数据库,统计了各影响因素与边坡失稳频度的关系。统计结果表明,失稳频度能较好的体现边坡影响因素与边坡稳定性状态的关系。     

基于地理信息系统的公路边坡三维建模及可视化研究

基于MapGIS-TDE平台,利用山区公路勘察设计数据,研究了公路边坡地表、地上及地下模型的三维构建方法,提出了地表模型中未开挖坡面、开挖路面及开挖坡面3类子模型的约束表面构建方法。采用"基于要素面向实体的三维空间数据模型"实现了三维数据的组织及存储,相对其他的数据模型,该模型具有较好的适应性和灵活性。基于位移和雨量监测数据,实现了三维环境下的实时关联查询和统计,可为公路滑坡的监测预警提供实时分析资料。利用以上方法对湘西常德-吉首高速公路某边坡进行了三维模型的构建和可视化,验证了该方法的有效性。     

二氧化碳注入下岩层变形和流体运移分析:(Ⅱ)实例分析

第I部分[1]提出了一个两相流-岩层流固耦合模型,为了应用该模型对超临界二氧化碳注入过程中岩层力学响应和流体运移进行评估,采用Comsol商业程序,提出了相应的数值分析方法。给出了模型参数的确定方法,并采用室内试验数据对模型进行了验证;通过现场的温度和压力条件以及岩层的Van Genuchten参数,确定了二氧化碳的密度和黏度。基于三轴压缩试验、有效应力系数试验和渗透性试验,对力学模型及耦合关系中的参数进行了验证。最后给出一个应用实例,该岩层位于地下680⁷00 m深度,宽度为100 m,分析了不同二氧化碳注入速率下注入压力的演化规律,得到了岩层中孔隙压力、竖向应变和损伤变量的分布,并对二氧化碳的运移规律也进行了分析。研究结果为超临界二氧化碳注入过程中岩层力学响应和流体运移的评估提供了理论基础。     

蠕滑错断-强震时序作用下跨活断裂隧道变形破坏机制初步研究

在以往对跨活断裂隧道变形破坏机制研究中,往往分别单独研究蠕滑错断与强震两种效应,忽略了在强震区两种效应往往同时对隧道具有威胁的可能性。基于此,讨论了蠕滑错断-强震时序作用对强震区隧道的影响。在室内试验数据的基础上,考虑相对错动条件下岩石-衬砌接触面、隧道混凝土衬砌材料的非线性弱化特征,研究隧道在先后发生活断裂错断与强震作用下的变形响应与破坏特征。引入了“柔性铰接”设计概念作为隧道的针对性工程措施,并验证了铰接设计的效果。开展了详细的参数研究,讨论了铰接设计中一些重要设计参数的影响。研究结果表明：（1）仅受到断层作用时,隧道的影响与破坏仅限于断层带部分,而隧道的其他部分基本保持相对完好;（2）隧道衬砌在蠕滑错断-强震时序作用下,隧道衬砌出现了明显的椭圆形变形和顶板沉降,导致隧道衬砌沿起拱线也出现明显的破坏现象。具有初始错断损伤的隧道在地震作用下会遭受更严重的破坏,破坏程度随初始错断距离的增加而增加;（3）铰接设计可以在时序组合作用下减少相对变形并提高隧道的安全程度,但铰接设计带来的安全程度的提高仅限于设防范围内;（4）建议设防长度的最佳范围为略大于断层宽度即可,节段长度越小,对改善隧道安...     

大型地下洞室群地震模拟振动台试验研究(Ⅰ):岩体相似材料配比试验

结合大型地下洞室群地震模拟振动台模型试验研究,根据相似原理,利用正交试验和二次细化试验相结合的试验方法,对岩体相似材料进行配比试验。选用铁精粉、重晶石粉和石英砂作为骨料,石膏为胶凝材料,甘油为调节剂。正交试验以相似材料的密度、抗压强度和变形模量为控制指标,通过极差分析得到各影响因素的重要程度,并在此基础上进行二次细化试验,二次细化试验增加测试相似材料的抗拉强度。这种组合试验方法可通过较少的试验次数得到符合相似指标要求的材料配比,大大提高了配比试验的效率。试验得出的相似材料配比与物理力学指标的变化规律及运用组合试验高效确定具体配比的方法,对类似工程动静力模型试验相似材料模拟具有一定的参考意义。     

地下岩体洞室群地震响应的加、卸载响应比分析

将加、卸载响应比理论引入地下岩体洞室群地震响应分析中。以输入的地震加速度作为加、卸载,以洞室围岩的加速度作为响应,合理地确定了加、卸载响应区段。通过有限差分程序FLAC3D建立了白鹤滩水电站13号机组剖面数值分析模型,选用汶川地震波进行动力时程计算,探讨地下岩体洞室群的地震动力稳定性,研究结果表明：在100年超越概率2%的地震作用下,白鹤滩水电站地下洞室群围岩响应比峰值范围在4.05～11.52之间;结合应力及位移分析,主厂房拱顶及层间错动带C4在尾调室上游边墙出露部位的围岩均进入了非线性变形状态,但响应比在整个时程中并没有趋于无穷大,围岩没有发生失稳破坏;错动带两侧的围岩产生了一定的相对位移,会对尾调室的边墙稳定性产生不利影响。该研究方法可应用于一般地下岩体结构的地震稳定性分析中。     

龙滩水电站左岸边坡二维位移反分析

论述了考虑开挖卸荷效应的二维位移反分析方法。对龙滩水电站左岸岩质边坡1-1剖面进行地质概化、施工开挖分区和开挖扰动分区,建立有限元计算模型。根据试验和现场实测资料,确定待反演得参数和取值范围,通过二维弹塑性有限元方法与神经网络-遗传算法相结合反分析出岩体力学参数。基于该参数的正分析计算结果表明,计算位移与监测位移趋势一致,量值吻合。开挖面附近最大压应力约为1.0 MPa左右,开挖面附近基本上没有拉应力区。开挖完成后的塑性区主要分布在坡顶和开挖面及大断层附近,而且基本上发生在开挖损伤区和部分卸荷影响区。     

跨活动断裂隧洞工程赋存区域地应力场分布特征研究

初始地应力的方向、量值和分布形式是影响岩石地下工程围岩应力、变形和破坏模式的重要因素,在工程区域难以开展大量实测工作,且实测结果具有相当的离散性,引入数值分析方法和数学理论对地应力场综合分析是有效的解决手段之一。结合滇中引水香炉山隧洞穿越龙蟠－乔后断裂段（楚波–白汉场断裂南段）工程,针对实测结果中方向结果离散性较大的问题,基于中国现代构造地应力场特征,对丽江地区复合断裂对区域地应力场影响的理论分析与数值模拟,获取了地应力场方向的定性认识。基于钻孔测试成果,通过基于多元线性回归的三维地应力场反演获取了地应力场方向与量值的定量认识。获得的初步结果表明,龙蟠–乔后断裂F10运动形式以正断错动为主;左旋走滑为辅的滑动,受其影响隧洞工程在穿越F10断裂部位的主应力发生偏转,偏转后最大主应力方向近似平行或小夹角相交于F10断裂走向;反演获得的香炉山隧洞趋近F10-1、F10-2段最大主应力量值范围为13～19 MPa,中间主应力为11～16 MPa,最小主应力为9～13 MPa,应力量值较高,并呈现 > > （ 、 分别为最大、最小水平主应力）的特征;F10断裂F10-1、F10-2主断带成为地应力场的控制性边界,其间应力量值明显小于上下两盘岩体,F10-1、F10-2主断带间岩体最大主应力量值范围在9～10 MPa,最小主应力量值范围在7～10 MPa,地应力最大主应力方向与隧洞纵轴线以约60°夹角相交,相交角度较大,对隧洞稳定性影响较大。     

基于C2阶连续函数的广义Hoek-Brown强度准则屈服面与塑性势面棱角圆化方法

Hoek-Brown强度准则的屈服面与塑性势面在棱角处导数无定义,具有数值奇异性,采用圆角进行光滑过渡只能满足一阶导数连续性,而二阶导数仍然无定义,使得棱边上一致切线模量矩阵无法正确计算,导致有限元总体平衡方程组Newton-Raphson隐式迭代二阶收敛性丧失。提出基于C2阶连续函数的广义Hoek-Brown准则屈服面与塑性势面棱角圆化方法,使得棱角处函数曲面二阶连续可导,棱边上一致切线模量矩阵可精确计算。基于ABAQUS数值开发平台,采用FORTRAN语言编制Hoek-Brown准则理想弹塑性UMAT用户子程序,通过数值算例验证所提方法的正确性。