考虑岩体本构及结构尺度效应的地下洞室模型有限元分析

对于地下洞室围岩稳定而言,存在两种尺度效应：一是本构尺度效应,二是结构尺度效应。在地下洞室模型的有限元分析中考察了两种尺度效应的作用。拟定了两种工况：①围岩中任一点的力学性质是该点到洞室中心距离的负幂函数,洞室由小到大,即同时考虑本构尺度效应和结构尺度效应;②围岩的力学性质一定,洞室由小到大,即只考虑结构尺度效应。对两种工况进行了平面应变弹塑性计算,分析了围岩中的应力、位移、及塑性区。从研究结果可知：当考虑岩体力学性质的尺度效应时,洞室围岩中的位移及塑性区均较小;而应力值较高,而不考虑岩体力学性质的尺度效应时的情况与之相反。     

水平薄层岩体中大跨度地下洞室工程地质研究

山西西龙池抽水蓄能电站地下厂房围岩为水平薄层岩层,工程竣工发电已多年,施工及运行期安全,但工程开工前,还没有在水平薄层岩体中开挖大跨度高边墙地下洞室的成功范例,鉴于此,以山西西龙池抽水蓄能电站工程为依托,从工程地质角度,对水平薄层围岩岩性特征、岩体结构特征、岩体力学特性、大跨度高边墙地下洞室围岩分类、围岩变形特征等方面进行了研究,依据研究成果,对洞室开挖支护施工、围岩变形监测等进行了分析,依据围岩变形监测成果对围岩力学参数进行了反演,验证了前期勘察成果,取得了在水平薄层状地质环境中开挖大型地下洞室的宝贵经验,进而为在水平薄层状地质体中修建大跨度、高边墙地下洞室提供了更多的技术支持,对此类不良地质条件下大型地下洞室群建设具有重要的指导意义。     

含软弱夹层岩体质量评价研究

工程岩体质量评价实质就是应用工程地质类比法进行围岩稳定性评价。BQ分类作为国标,具有普适性。针对含软弱夹层岩体的力学特性,探讨了如何以BQ分类为基础,经过适当修正以建立合适的围岩质量评价体系。结合西南某大型水电站地下厂房区围岩岩体结构特征,进行了洞室围岩质量评价,其结果与RMR分类系统判别结果基本一致。     

水电站大型地下洞室长期稳定性数值分析

围岩的流变特性是影响地下洞室变形及长期稳定的重要因素。在长期荷载作用下岩体会发生流变现象,特别软弱夹层在较高应力作用下其流变特性更为显著。以某水电站大型地下洞室为例,针对该地下洞室附近围岩存在着软弱夹层,且有些软弱夹层与开挖的洞室相互交汇,基于大型岩土工程分析软件FLAC3D,采用黏弹塑性流变本构模型（Cvisc）,模拟了地下洞室围岩的流变力学行为;根据主厂房顶拱位移变化率规律确定出了开挖洞室2次支护的时间,对比分析了瞬时弹塑性条件下与考虑流变特性条件下洞室开挖后围岩的位移变形、应力场及塑性区的分布。数值模拟结果表明,由于着软弱夹层的影响,洞室围岩发生较大的变形,特别是在开挖洞室与软弱夹层的交汇处围岩随着时间的长期变形量会更大,这对洞室的稳定性有着一定的影响;对于水电站地下洞室的长期稳定性分析,充分考虑岩体流变效应是非常重要和必要的。     

岩体质量对地下工程开挖效应的影响研究

以西北某大型水电站地下厂房洞室群为例．在地质调查的基础上,对洞室群围岩岩体质量进行了分析评价。而后,运用数值模拟手段研究了岩体质量不同时．洞室群开挖效应——二次应力场、位移场和破坏区的差异．较全面地讨论了岩体质量对洞室群开挖效应的影响。     

节理岩体大型地下洞室群稳定性分析

深入研究了加锚节理面的变形特点和节理面附近锚杆的变形特点;把断裂力学与损伤力学相结合,采用应变能等效的方法,建立了加锚断续节理岩体在压剪应力作用下的本构关系;按自洽理论的方法,得到了加锚断续节理岩体在拉剪应力状态下的本构关系,并将其理论模型应用于某大型地下厂房的三维稳定性分析中。应用加锚断续节理岩体断裂损伤模型模拟锚杆的支护效应,锚杆通过与围岩的联合作用,有效地限制了围岩变形,改善了围岩的应力状态,阻止了围岩破损区的发展演化,从而提高了围岩的稳定性。将断裂损伤计算结果与一般弹塑性（FLAC3D）计算结果进行了对比分析。相比于普通的弹塑性模型,加锚断续节理岩体断裂损伤模型考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,以及锚杆针对节理裂隙的加固作用,能更好地反映裂隙岩体洞室围岩稳定性特征,从而验证了该模型的有效性和优越性。     

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。     

节理围岩特性及其锚固效应模型试验研究

通过堆砌尺寸为１８０ｃｍ×１４０ｃｍ×１５ｃｍ的大比尺结构模型，依据两组正交节理的不同倾角和间距、地应力及洞周有无锚杆等不同组合的１６种工况进行地下洞室分步开挖模型试验，研究节理对洞室围岩变形破坏的影响及锚杆对节理围岩的锚固效应．试验首次应用ＣＣＤ画像处理法和光学照相法进行位移观测．结果表明，岩体的变形大部分是由节理变形引起的，围岩塌落区完全由开挖自由面与节理的不利组合所控制，围岩变形主要由洞室尺寸、节理倾角及间距、地应力等决定．锚杆能大幅度减少围岩的变形破坏，垂向位移减少更甚，预应力锚杆使围岩变形进一步减小．     

锦屏一级水电站左岸抗力体基础处理洞室群围岩稳定性分析

通过对锦屏一级水电站左岸抗力体五层洞室岩体结构特征详细调查,采用水电围岩分类的方法对抗力体洞室进行围岩分类。分类结果表明：抗力体洞室围岩以Ⅲ2类围岩居多,占了50％左右,其次为Ⅳ类,占36％左右,Ⅲ1和Ⅴ类围岩所占比例较少。通过对洞室施工开挖失稳破坏现象的调查研究,分析了洞室失稳破坏的机制及破坏形式,认为围岩主要的破坏形式为弱面控制型的块体滑移塌落。对洞室监测资料的分析结果表明,在目前的支护条件下,总体监测未见异常,整体上基础处理洞室监测状态稳定。但F5、F42-9断层及煌斑岩脉等软弱部位应力及变形缓慢增加,需要加强监测。最后根据分析结果提出了建议。     

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     

盘石水库泄洪洞、导流洞岩体工程地质特性研究

盘石水库泄洪洞、导流洞所涉及的岩体为寒武系下统灰、页岩互层层状岩体。其中页岩对洞室的稳定起决定作用。本文采用多种方法对洞室围岩特别是页岩进行了研究。取岩块,挖平洞、竖井做实验,研究其强度和变形特征,观察有无软弱夹层对洞室稳定的影响,在此基础上进行基本质量级别分级。进而分析、归纳出影响洞室稳定的主要因素及洞室设计力学参数,对同类工程具有类比和借鉴的意义。     

初始地应力场对洞室围岩稳定性的影响

基于施工力学分析方法,考虑岩体的宏观各向同性,建立了从施工开挖到适时支护的有限元列式,给出了模拟锚杆作用的加锚岩体组合单元模型及相关计算公式。针对影响洞室围岩稳定的主要因素,提出了基于实测点地应力的多元回归反演初始地应力场的分析方法。结合工程实例,探讨了不同初始地应力场及支护时机对洞室群围岩稳定的影响。结果表明,洞室变形量值和各洞室顶拱环向压应力均随着侧压系数增大而增大,而洞周的变形随支护时机的提前而减少,尤其是各洞室拱顶沉降位移减少更为明显。     

基于正交设计的地下水封洞库群优化

大型地下水封石洞油库是目前国内外石油战略储备的重要方式,为保证该类大断面不支护地下洞室群的稳定,需优化洞室群的布置。在分析山东某地下水封洞库群工程地质条件的基础上,建立洞室群数值模型。根据三轴试验、围岩RMR（rock mass rating）分类和广义Heok-Brown准则估计了II、III和IV类围岩的岩体力学参数。以洞室埋深、轴向和间距为因素,采用正交设计的方法进行数值试验,以关键点位移和塑性区面积作为评价指标对试验结果进行直观分析,得到对洞室围岩变形和塑性区面积影响最显著的为洞室轴向,并研究了轴向对围岩变形和塑性区面积的影响,得到该水封洞库洞室群的最优布置方案为埋深-60.0 m,轴向N30°W,间距为25 m。其研究结果对地下水封洞库洞室群的布置具有一定工程意义和理论价值。     

岩体结构面力学行为的尺寸效应研究

尺寸效应是岩体结构面力学行为的重要特征。本文列举了结构面力学行为中普遍存在的尺寸效应现象,并由实测统计资料的分析,论证了结构面力学行为的尺寸效应具有分形结构。通过结构面力学行为尺寸效应的机理研究,建立了结构面力学行为尺寸效应分维数和结构面粗糙度系数尺寸效应分维数之间的相关关系,从而简化了结构面力学行为尺寸效应规律的表述,为客观评价岩体结构面力学参数提供最为有效的手段。     

地下洞室中裂隙岩体围岩稳定性研究的模糊信息优化处理方法

基于地下洞室工程中裂隙岩体围岩分类及稳定性分级的实际资料,选取岩石单轴抗压强度、岩体ＲＱＤ值、裂隙间距、声波纵波波速等重要影响因素,运用模糊信息优化处理技术,建立了一套裂隙岩体围岩稳定性分级的评价方法;并应用于某水电工程地下厂房的围岩稳定性评价,体现了该方法简单、快速的特点。     

深埋隧道层状围岩变形特征分析

层状岩体在地下工程中经常遇到的,它具有明显的各向异性力学性质。结合共和隧道现场监测和数值模拟相结合的方法对层状岩体的破坏特征进行了分析,研究结果表明：围岩的变形位移、破坏区都主要集中隧道拱顶右侧,即靠河侧大于靠山侧。隧道围岩变形破坏区不在最大主应力方向上,而是在岩体层理垂直方向。层状岩体中洞室变形破坏特征除了因地形产生的偏压影响外,更重要的是受地层结构特征的影响,即与层状岩体的力学性质极大相关,其结果可为指导隧道的施工和设计提供有效依据。     

大型地下洞室群开挖支护弹塑性损伤优化研究

正在设计施工的某大型水电站地下洞室群地质条件复杂,其开挖支护方案对围岩稳定性非常重要,因此,对支护方案进行优化研究非常必要。为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤模型和损伤演化方程,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM,具有模拟开挖与支护、计算速度快、群组功能等特点。建立大型地下洞室群三维数值模型,将通过实测地应力反演的应力作为初始地应力。采用D-FEM模拟了不同支护方案洞室群的施工过程,通过分析洞室围岩的应力、位移和破损区,支护方案2的支护效果最好,建议采用此方案。考虑岩体损伤演化后与FLAC3D塑性区相比,洞室群边墙中部的破损区显著增加,因此,程序可应用于地下工程的稳定性分析     

考虑空间效应的地下洞室爆破开挖松动区参数场位移反分析

将地下洞室爆破开挖松动区视为一个随开挖过程演变的非均匀、非稳定三维扰动场,松动区内岩体力学参数则是一个具有时空演化特性的参数场。考虑爆破开挖扰动空间效应和岩体真实变形响应,提出了真实工作状态下开挖松动区岩体参数场辨识的位移反分析方法。基于局部监测变形空间插补得到的空间位移场,通过分析洞室爆破开挖围岩变形扰动机制,建立了开挖松动区岩体变形模量参数场数值演化模型,并进行了模型适用性和参数敏感性分析。在此基础上,以变形模量参数为例,结合围岩实测位移信息,提出了开挖松动区参数场位移反分析的动态实现过程。将该方法应用于溪洛渡地下洞室群施工期参数场反演和围岩稳定动态反馈评价及预测,结果表明,该方法合理有效,在大型地下洞群施工开挖与快速监测反馈方面具有显著的工程适用性及实用性。     

地下洞室开挖过程围岩应变能调整力学机制

深埋洞室岩体开挖过程中,围岩应变能的聚集和释放是洞室发生灾变破坏的重要诱因。针对圆形洞室开挖,分析和比较初始地应力准静态和动态两种不同卸载方式下围岩应变能的调整过程,基于能量角度判定了围岩损伤范围。研究表明：伴随地下洞室的开挖,岩体能量靠径向应力做功的方式在围岩中由远及近传递,并导致近区围岩应变能聚集;初始地应力动态卸载诱发围岩应变能先减小后增大,先对靠近开挖面的相邻岩体通过径向应力做功的方式释放自身的应变能,随着卸载应力波的继续向前传播,远离开挖面的相邻岩体又通过径向应力对其做功的方式促使其应变能聚集;相比初始地应力准静态卸载,动态卸载条件下高应变能聚集程度导致围岩损伤破坏范围更大。     

并行ENN-FEM分析力学参数对洞室群稳定性的影响

将洞室群视为一特定系统,采用并行进化神经网络有限元（ENN-FEM）方法建立该系统与岩体力学参数之间的相对应关系。采用遗传算法分析得到对围岩稳定性最不利的参数组合,对组合中任一参数可通过参数敏感度函数分析其敏感度,并由此综合评估各软岩力学参数对洞室群稳定性的影响,确定出关键岩层以给设计和施工提供指导性建议。实例计算表明该方法是合理的,且具有智能化和综合分析的优点。