非贯通随机节理岩体的结构效应对地下洞室地震响应的影响

为研究非连通随机节理岩体的结构效应对地下洞室地震响应的影响,首先探讨了二维节理网络的生成原理,给出了结构效应影响的5个表征参数,即节理密度、节理倾角角度、节理倾角离散程度、节理迹长长度和节理迹长离散程度。以大岗山水电站主厂房洞室为背景工程,研究节理岩体结构效应对地下洞室地震响应的影响。结果表明,相同地震动水平下节理密度增加则洞室地震位移增加;节理角度在0°～80°范围内时,随节理倾角增加洞室的地震位移增加;节理离散程度较大时,随节理倾角离散程度减小洞室的地震位移减小,但当节理离散程度较小时则基本无影响;随节理迹长长度增加,洞室地震位移也增加;节理迹长的离散程度则对对洞室地震位移影响较小。结论可供节理岩体中地下洞室的抗震设计参考。     

大型地下洞室群地震动输入机制探讨

当前地下工程地震稳定性分析中对地震响应规律研究较多,而对分析中地震动输入机制研究则明显不足。本文针对这一现状,对大型地下洞室群地震响应分析中的地震动输入机制进行了一定的讨论。首先提出将分析中所涉及的地震动分为指定的实测强震记录、优选的实测强震记录、人工地震波3类,分别讨论了每种地震动的选取方法,形成了一套实用性较强的选取流程。随后提出了对设计地震动基准面(点)的建议,并研究了基于基准面(点)的人工边界输入地震动量值的确定方法,形成了适用于高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动输入方法。将上述地震波的合理选取方法和高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入方法相组合,最终形成了一套可操作性较强的高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入机制。最后以白鹤滩水电工程地下洞室群为工程实例,对本文提出的地震动合理选取方法和高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入方法进行了工程应用,表明本文的方法为工程抗震设防分析提供了优质的地震输入参数。     

基于三维地质模型的地下洞室群地震动力响应分析

工程区域地质条件是影响地下洞室群稳定的重要因素,而通用数值分析软件在建立复杂地质模型时存在建模时间长、准确度低、不能真实反映复杂地质特征等困难。针对此问题,采用以非均匀有理B样条（NURBS)为主的混合数据结构,对复杂区域地质构造进行了三维建模,建立了西南某水电站大型地下洞室群的三维地质模型。并以此模型为基础,建立了包括空间曲面断层、地层等复杂地质因素的数值模型,结合ABAQUS的隐式和显式分析,对洞室开挖和地震作用下的动力时程响应进行了仿真分析。分析结果表明,该方法不仅较大程度地反映了实际地质情况,而且有利于数值仿真分析的网格剖分与计算,从而为分析地下洞室群地震反应提供了三维数值模型,为地震作用下洞室的安全性评价提供了重要的技术支持。     

在地震载荷作用下的节理岩体地下洞室围岩稳定性分析

节理岩体的力学性质主要由节理控制,在地震动载荷的作用下,节理可能滑移、张开。在有临空面时,节理岩体将表现出显著的几何非线性和大变形。地下洞室在原岩应力作用下可能还处于稳定状态,但在动载荷作用下就可能失稳破坏。本文采用了动力离散元法对一个大断面地下洞室在地震载荷的作用下的动力影响及围岩稳定性进行了分析,并模拟出围岩失稳和破坏的全过程,有助于对节理岩体中洞室围岩变形和破坏机制的认识。     

地下洞室地震动力响应的岩体结构控制效应

为了评价在层间错动带C2影响下白鹤滩地下洞室群尾调室在地震作用下的稳定性,针对其在试验中表现出来的明显的延性及法向荷载依赖性等特征,一种非线性的连续屈服（CY）模型被采用,用来描述层间错动带在静力以及地震动力作用下的复杂力学特性。在CY模型中,非连续面的变形特性采用幂函数形式表述,并且考虑了剪切破坏过程中强度的渐进性破坏。CY模型预测的C2错动带的力学行为与试验获取的结果相比较差异非常小,证明了CY模型在静力作用下的适用性。基于位移非连续假设的应力波透射理论被用来论证CY模型在动态作用下的适用性,同时将结果与线性结构面本构模型的结果进行了对比。比较结果表明,CY模型预测的规律与已有文献利用其他非线性模型得到的结论基本相同,并优于线性本构模型,理论结果在数值软件中得到了验证。3条地震波在经过特殊的反应谱匹配处理后,对白鹤滩地下洞室左岸1#尾调室进行了地震动力响应分析。分析结果表明,C2错动带在地震作用下对尾调室的变形及稳定性有明显的控制作用。地震作用下洞室整体运动趋势以刚体位移为主,岩体间相对变形为辅。相对变形中,错动带C2的相对变形占据了较大的成分。C2的相对变形以接触面上下盘的切向错动变形为主,主要发生部位为洞室顺C2走向的部位;结构面上、下盘法向变形为辅,主要发生在洞室顺C2倾向部位。通过超载法,获取了洞室的地震动力安全裕度。当超载系数从2增加到3时,C2的剪切变形、洞室的塑性区指标均剧烈增加,显示洞室的安全裕度大约在2～3之间,即洞室最大可抗拒峰值加速度为438g～657g的地震动作用。研究结论可供地下洞室的抗震设计与分析参考。     

洞室结构对龙游大型古地下洞室群长期稳定性影响的研究

龙游大型古地下洞室群开挖于白垩系衢县组泥质粉砂岩中,具有大跨度、超浅埋、支撑小和稳定时间长等特点。根据现代岩石力学观点,该洞室群是不足以保持上千年稳定的。这一看似违背现代岩石力学观点的客观现象引起了诸多学者的关注和深入研究。本文即是基于上述考虑,致力于揭示该洞室群得以保持上千年稳定的机理。通过现场调查发现,该洞室群具有斜顶、斜墙、鱼尾形岩柱及柱托等特殊结构,该结构是古人偶然为之还是精心设计？其是不是使洞室群得以保持长期稳定的决定性因素？本文通过数值计算对其进行回答。计算结果表明,斜顶设计能较好地解决浅埋问题,鱼尾形岩柱和柱托有利于洞室稳定,斜墙设计有利于改善洞室围岩的应力状态,从而得出了洞室群的特殊结构是使洞室保持长期稳定的决定性因素的结论。     

节理网络模拟的程序实现及其在地下洞室中的动态响应分析

随着岩体工程的日益发展,人们愈发认识到岩体裂隙发育情况对工程影响的重要性,而岩体节理裂隙网络模拟是研究该类问题的重要手段。基于节理网络模拟结果,建立岩体力学分析模型,然后开展进一步的数值计算分析,在岩体工程中具有良好的发展前景。在岩体结构统计理论的基础上,自行编制了节理岩体裂隙网络模拟分析程序,直观再现了岩体内部的节理分布情况;将程序生成的可执行数据文件与离散元软件相融合;以含节理岩体的地下洞室为例,分别计算了静力和地震荷载作用下地下洞室围岩在不同时段的应力及位移变化情况。计算方法与结果对含节理岩体地下洞室围岩变形和破坏机制以及抗震工程设计具有指导意义     

地下洞室群随机地震响应研究中传递函数的应用探讨

在证明随机响应的统计参数可以用传递函数进行直接表达的前提下,将传递函数引入地下洞室群随机地震响应研究中,对白鹤滩水电工程13#机组剖面地下洞群进行了随机地震响应分析,并对之进行了地震动力可靠度的探讨。结果表明：较之常规方法,基于传递函数的方法除可得到洞室群的随机地震响应以外,还可同时得到洞室群的地震响应频谱特性,并可以直接利用传递函数得到确定性地震动输入下洞室群的响应值进行验证,显示对问题的研究具有更加深刻的优势;将所得到的随机地震响应结果与基于传递函数的确定性估算结果,与实际时程计算得到的确定性结果比较,吻合良好;首次采用超越破坏理论对地下洞室群进行地震动力可靠度分析的可行性,为地下工程抗震可靠度计算中如何以动力方式考虑地震荷载的随机性提供了一些新思路。     

基于损伤塑性模型的地下洞室结构地震作用分析

基于损伤力学原理,通过引入损伤变量的方法,详细推导了ABAQUS中的损伤塑性本构模型,描述混凝土后继屈服阶段及其卸荷后的损伤机制和力学行为。此本构模型可考虑循环荷载条件下材料刚度退化和应变率的影响,适用于类似混凝土材料的脆性材料,如岩石等。以某水电站地下厂房洞室结构为例,进行二维动力时程非线性分析,考虑不同的刚度恢复权重因子和应变率相关性对结构损伤的影响。多个数值算例表明：洞室混凝土结构和其周围一定深度的围岩的损伤是一个渐进积累的过程;材料的率相关性效应并不是在地震动作用开始时就立即产生,而是在一段时间后,结构经历一定程度的损伤后才慢慢体现出来;此损伤塑性模型适合地震荷载等循环荷载作用下地下洞室结构的动力时程非线性分析,尤其是强震下采用此损伤塑性模型是合理和必要的。     

地下洞室群围岩稳定的离散元计算

针对水电工程中的地下洞室群围岩稳定问题,采用三维离散元软件3DEC, 首先对围岩可能出现的破坏类型进行了分析,然后建立计算模型,对随机结构面进行了模拟,最后计算出了开挖过程中可能出现的破坏块体。使用的方法和得出的结论对类似工程具有一定的参考意义。     

基于小波包的地下洞室群地震响应及其频谱特性研究

基于有限差分数值模拟,在合理选择地震动力分析阻尼参数的条件下,开展白鹤滩水电工程13#机组剖面地下洞群围岩地震响应研究,并结合小波包变换方法从加速度峰值及振动能量角度评价了地震波在岩体中的传播规律及洞室群不同区域地震响应的频谱特征。结果表明：地震波传播过程中强度随高程增加而增加,层间错动带有一定减震作用;小波包分解可以较全面地给出地震响应成分的频率分布;地震波的高频分量在岩体传播过程中逐渐衰减;在地下洞室群附近,岩体地震响应的加速度峰值和振动能量频谱特征以1～3 Hz频段为主,其他频段对岩体地震响应影响较小。     

复杂断层网络环境下地下洞室群三维地质分析与应用

断层构造是制约地下工程设计与施工的关键因素。综合考虑复杂地质构造与地下洞室群结构的耦合关系,采用三维地质建模方法建立实现了地层体、断层体与地下洞室群结构的统一模型。基于三维模型提出了断层复杂度的概念,为水利水电工程地下厂房洞室群的选址方案分析提供了一种新的手段。针对地下围岩稳定性问题,提出基于断层与断层、断层与开挖面相互切割的曲面块体识别方法,搜索地下厂房洞室群内可能的失稳区域。上述方法已成功应用在某水电工程地下厂房洞室群分析中,在设计方案优化分析中取得了良好的效果。     

一种简单的岩体地下洞室地震安全评价方法

提出了动应力集中因子代表值的概念,以合理反映地震荷载作用下地下洞室围岩的动应力集中程度,并将动应力集中因子代表值,作为洞室地震响应的关键特征来衡量洞室地震响应的大小。应用显示有限差分法,讨论了地震动加速度幅值、洞室埋深、围岩岩体级别、衬砌混凝土厚度、衬砌混凝土强度等级与动应力集中因子代表值的相关关系。研究表明,动应力集中因子代表值与这5个因素均近似呈线性关系。在此基础上给出了有（无）衬砌支护结构两种情况的地震安全评价公式,提出了岩体地下洞室的地震安全评价方法。应用提出的评价方法,分别对唐山余震地震作用下溪洛渡水电站超大型地下洞室群的地震安全性进行了评价,所得结果与Dowding-Rozen及Sharma-Judd的评价方法结果一致。分析还表明,文中提出的岩体地下工程的地震安全评价方法的评价结果是偏于安全的。     

裂隙随机分布条件下地下石油洞库水封性评价

以国内首个大型地下水封石油洞库工程为背景,在考虑洞库围岩节理裂隙的随机分布特征基础上,采用离散介质 流-固耦合理论对大型地下石油洞库水封性进行了评价。介绍了地下水封储油洞室水封原理与水封准则。通过室内结构面剪切试验获得了结构面参数,采用Barton-Bandis剪胀模型对结构面参数进行了校验。根据库区节理裂隙统计结果,建立了洞库围岩的随机节理裂隙网络模型。分析了不同水幕压力条件下洞室开挖后地下水压力分布情况、涌水量大小和洞库围岩变形与受力情况。分析表明：在水幕压力大于或等于75 kPa的条件下,洞室周围地下水压力满足水封准则;在水幕压力为75 kPa条件下各洞室涌水量在0.003~0.015 m3/d之间,拱顶沉降量在16~32 mm之间。研究结果可为地下水封石油洞库水幕系统设计提供依据。     

复杂断面地下结构地震反应分析的广义反应位移法研究

针对我国现行《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909-2014)推荐采用的地下结构抗震分析的反应位移法存在一定的局限性,在借鉴反应位移法基本原理的基础上,提出一种适用于复杂断面地下结构地震反应分析的广义反应位移法。首先,基于子结构方法从理论上论证该方法与反应位移法基本原理的一致性,详细介绍了该方法的力学模型和实施步骤;其次,结合某马蹄形断面的区间隧道实际工程,并以整体动力时程分析方法为基准,分析了不同地震动强度工况下,两种不同广义子结构选取范围的广义反应位移法的计算效果。结果表明,提出的广义反应位移法是一个操作简便、精度较高、实用性较强的简化分析方法,可以在各种断面形式的地下结构的抗震分析与设计中推广使用。     

大型地下洞室全长黏结式岩石锚杆锚固机制研究及锚固效应分析

以大型地下洞室为背景,采用隐式锚杆柱单元模拟黏结式岩石锚杆,推导了杆体对围岩模型的附加刚度贡献模型。根据中性点理论,假定锚固体界面的剪切滑移模型,导出了锚杆与围岩相互作用下的荷载传递基本微分方程。基于三维弹塑性有限元增量法计算的围岩离散位移,采用插值拟合获得造成锚杆变形的围岩连续位移,通过求解微分方程得到锚固体界面剪应力和轴向力分布函数。将获得的锚固体剪应力采用等效附加应力模型作用于岩体,反映了锚杆的支护效应。实例分析表明,锚杆新算法能较好地模拟锚杆支护效果。获得的锚固体受力分布特征符合中性点理论,锚固体界面剪应力分为正、负两段,锚固体轴向力分布为单峰曲线。此外,新方法的计算值与实测值较为接近。     

溪洛渡地下洞室群地震响应的二维及三维数值模型比较分析研究

验证了显示有限差分方法进行地震波衍射分析的可行性,并基于此方法分别建立了二维（2D）及三维（3D）数值模型,对溪洛渡地下洞室群的地震安全性进行了分析与讨论。研究表明,在唐山余震天津医院地震波作用下洞室群处于安全状态。对比2D及3D数值计算结果可以发现,2D数值模型计算效率远远高于3D数值计算模型;对于建造于完整性较好、强度较高的岩体介质中地下洞室群而言,可以采用2D数值模型粗略估算洞身部分的地震响应,而洞室端面的动力响应则必须通过建立3D模型来进行分析。