正断层与逆断层错动引起的上覆黏土变形特性离心试验

采用土工离心机试验,研究正断层和逆断层错动引起上覆饱和黏土层在20步连续断层错动作用下的变形特性以及裂缝扩展的规律。研究结果显示,正断层错动后地表呈现多条且平行断层面的张拉裂缝,随着错动量的增大,正断层破裂逐渐偏离基岩断层的错动方向,偏向上盘一侧,裂缝逐渐向上盘的方向开裂,裂缝主要发生在断层延长线附近;逆断层错动后地表裂缝均分布在上盘,而且离断层尖端延长线较远,产生的裂缝较细、数量较少,随着断层错动量的增大,地表位移增大,靠近断层下盘一侧的地表受断层错动影响较小,位于断层上盘一侧的地表则随着断层错动显著移动;随着断层错动量的增大,最大地表坡度随之增大,正断层引起的最大坡度的位置逐渐向上盘方向移动,逆断层引起的最大坡度的位置逐渐向下盘方向移动,逆断层的影响范围比正断层的影响范围更广。     

黏土中盾构开挖面变形与破坏数值模拟研究

开挖面支护应力的控制是土压平衡式盾构施工成功的关键。利用能够考虑大变形破坏的拉格朗日有限差分计算程序,对土压平衡式盾构在黏土地层施工中,因开挖面支护压力控制不当引起的开挖面的变形及破坏问题进行计算分析,探讨了开挖面变形及破坏模式,分析了开挖引起的周围土体应力释放问题,为黏土地层中盾构开挖面控制压力的确定提供参考。     

地层错动引起的上覆饱和黏土层变形特性的离心试验研究

地震断层错动会引起上覆土层变形,从而造成断层附近的建筑结构、管线产生附加的变形和内力引起破坏。通过一个土工离心机试验分析上覆饱和黏土层在4步连续断层错动作用下的静力响应行为。着重分析断层错动引起的地层变形的范围、不均匀沉降区的分布特点、剪切裂缝在土层传播路径及地表开裂的位置等工程上重点关注的问题。得到以下几点认识：(1) 基岩断层错动引起的地层变形范围基本上不受基岩错动量大小的影响。(2) 断层错动引起地层的不均匀沉降区基本呈三角形分布,其地表宽度约为1倍左右的土层厚度。(3) 基岩错动引起的主剪切裂缝基本沿竖直方向向上传播,其传播距离取决于基岩错动量及土体的破坏应变。(4) 基岩断层错动在主剪区的下盘一侧边缘会产生张拉裂缝,且产生张拉裂缝所需基岩错动量远小于产生剪切裂缝所需的错动量。     

高应力区隧道围岩变形破坏的数值模拟及物理模拟研究

隧道失稳和维护困难是高地应力隧道的普遍问题,对隧道的支护设计提出了更高的要求。研究从地下工程岩体应力环境变化和岩体强度变化的角度探讨了高应力隧道围岩的变形破坏机制。根据重庆某深埋隧道围岩实际情况,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,建立了摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。通过隧道的三维数值计算,分析了高应力环境下隧道周边塑性区分布、应力场、位移场等的分布特点,得到了高应力隧道围岩在高地应力环境下的破坏规律。通过物理模型验证了高应力隧道围岩的破坏特点,并进行了超载试验,将其与数值模拟进行对比,进一步验证了所建数值模型的科学性。     

正断层诱发砂土中群桩基础破坏及避让距离研究

地震中发震断层诱发桩基失效,导致上部结构破坏甚至坍塌,相关破坏机制和避让距离缺乏系统研究。通过离心机试验和数值模拟,针对基岩正断层活动诱发上覆砂土中群桩基础的静力破坏展开研究,考察不同群桩断层相对位置下群桩的破坏特征。试验与计算结果均表明,当群桩跨越断层时,正断层活动使群桩向上盘一侧倾斜,并使基桩弯向上盘一侧。基桩桩顶荷载的重分布进一步使基桩形成受拉和受压两种破坏模式。数值参数分析表明,在不同桩位上,群桩的变形响应可划分为5个特征区域。对于埋深为20.0 m的基岩正断层,群桩在上盘和下盘一侧的安全避让距离分别为23.5 m和15.9 m,其中下盘一侧离开断层7.9 m至上盘一侧离开断层4.1 m的区域需要进行重点避让。     

正断层黏滑错动对地铁隧道结构影响的模型试验研究

以乌鲁木齐市轨道交通1号线地铁区间隧道穿越九家湾断层为工程依托,开展地铁隧道分段式衬砌结构穿越倾角60°正断层的大型剪切错动模型试验,对断层错动模拟过程中的隧道结构变形、应变分布特征、围岩压力、开裂形态等关键力学特征进行监测分析,获得了正断层黏滑错动下的隧道结构响应规律。研究结果表明:(1)正断层黏滑错动影响下,断层面处的隧道拱脚处于压剪状态,断层面附近的上盘仰拱及下盘拱顶处于纵断面内的受拉状态,断层面两侧较大范围内的隧道仰拱内侧及墙脚外侧处于横断面内的大偏心受力状态;(2)断层错动后,隧道开裂破坏形态主要包括斜裂缝、纵向裂缝及环向裂缝;(3)正断层黏滑错动达到7.0cm(相当于实际错动量1.75m)后,上盘隧道结构的破坏范围为4.2D(D为隧道跨度),下盘破坏范围为2.4D,上盘破坏范围明显大于下盘。     

拉张盆地不同埋深复合地层中隧道围岩变形破坏数值模拟研究

不同埋深的软硬岩层叠置复合地层变形破坏形式复杂而使得软岩大变形和硬岩岩爆位置相关关系不够明确。在拉张盆地中自重应力为主,侧压系数一般较小且多数在1.0以内。本文以在水平和铅垂叠置复合地层中TBM开挖圆形断面隧道为例,采用有限差分程序FLAC^3D对拉张盆地中不同埋深、不同叠置型式复合地层中TBM开挖后的三维弹塑性位移变形、主应力和塑性破坏分布变化特征展开数值模拟研究。模拟结果表明,围岩变形主要发生在软岩层地层中,埋深超过800 m后沿隧道轴向软岩大变形藕节状分段开始显现;随埋深增加,硬岩稳定性变差,顶拱位移增加尤其明显;随埋深增加,软岩和硬岩地层之间主应力差异变小,硬岩中储能明显;埋深越大塑性区分布范围越大;埋深较小时岩层以拉张破坏为主,埋深较大时以剪切破坏为主,两种状态的转换埋深(临界深度)约为800 m。由此对拉张盆地中深埋界限值给予了理论验证。     

基岩逆断层错动引起的上覆土体变形预测

基岩逆断层错动引起上覆土体变形会导致地表及地下建筑的破坏,相应的变形预测模型仍较为缺乏,相关因素的影响规律尚未掌握。本文通过补余误差方程来表征逆断层错动引起的上覆土体变形,建立可预测不排水条件下上覆土体的变形理论计算模型,并通过离心机实验数据、数值模拟数据加以验证。对比分析结果表明,补余误差方程能表征基岩逆断层错动所引起的地表及地表以下土体变形。参数分析结果表明:基岩错动量的幅值对地表不均匀隆起区域范围的影响并不显著;形状参数的增加会使得地表不均匀隆起区域趋向集中;断层倾角的增加会使得地表不均匀隆起区域向断层上盘一侧偏移。     

膏体充填开采覆岩破坏数值模拟研究

为研究充填开采对抑制覆岩破坏和减少地面沉降的作用,以山东鲁泰集团太平煤矿8313工作面3煤层膏体充填开采为例,探讨开采引发的覆岩破坏问题:运用FLAC3D软件对8313工作面3煤层充填开采进行模拟,以确定覆岩发育规律,根据应力分布与塑性区范围确定两带发育高度,以此获得充填开采引起的应力变化及塑性破坏区范围,最终得到导水裂隙带发育最大高度为13.2m。对实测数据和数值模拟数据进行对比,验证了数值模拟的合理性,为8313工作面的安全生产提供了科学依据。     

正断层破坏在砂土中传播规律试验模拟

断层错动不仅可以引起地震灾害,而且带来的地层永久性变形,对结构物特别是线性构造物,如地下管线,隧道等,造成很大影响,因此,研究断层破坏在上覆土层中传播规律是十分必要的。本文依据正断层砂箱模型试验,对断层在砂土中传播模式,断层在地表的露头位置,断层垂直位移与土体厚度关系等内容进行了分析,并认为:(1)砂土中正断层破裂面不唯一,出现分叉; (2)传至地表所需的断层垂直位移与倾角无关; (3)正断层传播形成三角剪切带,其宽度随断层倾角减小而增大。     

黄土高边坡变形破坏机理的数值模拟研究

采用非线性弹性和弹塑性有限元法模拟了黄土地区某高速公路黄土高边坡在不同降雨条件和地震条件下坡体应力场变化及变形破坏规律,结果认为:随降雨人渗量的增加,边坡土体的含水量逐渐增大,其塑性破坏域不断扩大;地震作用使坡体最大主应力和剪应力明显增大,应力集中带的范围扩大,坡体内塑性区迅速扩大;黄土高边坡的破坏方式为滑塌型,其变形破坏过程为坡体蠕动→后缘拉裂→滑带在坡体中下部形成并向两侧扩展→剪出口形成→坡体突滑.这些规律的认识对黄土高边坡稳定性评价和设计方案确定具有重要意义.     

斜向坡变形破坏机制的数值模拟研究

本文讨论了斜向坡的旋转式变形和破坏机制，用有限元法计算了此种斜坡中的剩余下滑力的分布方式，并以此来解释在滑动过程中发生一定旋转的原因；论文还运用离散元法，模拟了此种滑坡的滑动过程。     

采动诱发岩体移动破坏过程数值模拟研究

本文基于岩石介质的宏观非线性主要是由非均质性和各向异性造成的, 应用新的数值计算软件RFPA(2D), 对采动引起岩体失稳破坏的全过程进了数值模拟研究。     

采空场覆岩变形数值模拟与相似模拟比较研究

用有限元数值计算尝试了离层模拟,并分别采用数值模拟与相似模拟的方法研究了木架山矿区143剖面倾斜采空场处理时的地表移动与覆岩破坏规律。研究发现,随着矿柱的崩落,覆岩跨度不断增加,引起的地表移动范围也不断增大,地表垂直沉降范围大致为跨度的1.5～1.7倍,垂直沉降曲线始终对称于最大沉降点;水平移动的范围大于垂直沉降的范围,最大水平移动量大约为最大沉降量的40 %,且水平移动不对称。另外,当覆岩发生整体下沉时离层主要存在于跨度两端,离层由层理剪切破坏引起。     

重叠隧道上覆地层变形规律分析

通过对深圳地铁Ⅰ期工程浅埋暗挖法施工的重叠隧道现场调研,并结合施工中的试验、监测成果对重叠隧道上覆地层（地表、地中）水平、竖向变形和隧道结构变形进行了综合分析,明确了富水含砂软弱地层地铁隧道拱顶沉降大于地表沉降的事实,得到地层变形的三维变化规律和重叠隧道分步开挖的施工时空效应;并实测得到未降水施工条件下隧道结构周边超静孔隙水压力分布及其随开挖变化规律。研究结果对于同类地层条件下地铁隧道设计、施工有一定的借鉴作用。     

煤岩两体模型变形破坏数值模拟

采用拉格朗日元法,在弹性岩石与弹性-应变软化煤体所构成的平面应变两体模型的上、下端面上不存在水平方向摩擦力条件下,模拟了模型的破坏过程、岩石高度对模型及煤体全程应力-应变曲线、煤体变形速率、煤体破坏模式及剪切应变增量分布的影响。结果表明,当模型的全程应力-应变曲线达到峰值时煤体内部的剪切带图案已经十分明显,在模型的应变硬化阶段,煤体中的应变局部化可视为模型失稳破坏的前兆,随岩石高度的增加,模型应力-应变曲线的软化段变得陡峭,这与单轴压缩条件下的解析解在定性上是一致的;煤体应力-应变曲线的软化段变得平缓,煤体消耗能量的能力增强;弹性阶段煤体的变形速率降低;煤体内部的剪切应变增量增加。煤体应力-应变曲线的软化段的斜率、弹性阶段煤体的变形速率、煤体内部的剪切应变增量及塑性耗散能都受岩石高度的影响,说明了岩石几何尺寸对煤体的影响(煤岩相互作用)是不容忽视的。     

软黏土卸荷变形特性室内试验研究与数值模拟

利用在常规三轴仪的基础上改制而成的应力控制式三轴仪进行了加(卸)荷作用下软黏土变形特性的室内试验研究,得到了以下的结论:(1)在加荷载和卸荷载大小相同的情况下,卸荷过程中的变形量比加载过程中的变形量小,约为加载过程中的变形量的十分之一; (2)当卸荷比例比较小时,试样的回弹变形量非常小; (3)当卸荷比例达到某一定值以后,试样的回弹变形量会显著地增加; (4)当卸荷比例超过另一定值以后,试样的回弹变形量将会趋于稳定。应用有限元分析软件ABAQUS对试验过程进行了数值模拟,得到了以下的结论:(1)在加荷载和卸荷载大小相同的情况下,软黏土加(卸)荷过程中的位移-时间关系曲线相似; (2)在分级卸荷的初始阶段和分级卸荷的最后阶段,用修正剑桥模型计算的变形增量要比试验得到的变形增量稍大,在中间阶段,用修正剑桥模型计算的变形增量与试验得到的变形增量可以较好地吻合; (3)在每一级的卸荷过程中,位移随时间的变化关系与试验结果吻合的很好。     

湿度扩散诱发的隧洞时效变形数值模拟研究

环境湿度在水敏感岩体中的扩散对隧洞等地下空间的变形起到至关重要的作用,不仅改变岩体的应力状态,还在很大程度上造成岩体物理力学性能的弱化,增强了岩体的时效变形特性。通过在数值模型中引入湿度扩散计算,并建立湿度扩散与岩体力学响应之间相互关系的描述,使得数值模型能模拟水敏感岩体受湿度影响的时效变形特征。针对具有支护系统的隧洞岩体在湿度扩散过程中的变形和应力特性的数值模拟研究表明：开挖初期,只有围岩表面的湿度产生变化,湿度引起的隧洞变形量也较小,但其变形速率却较大。随着湿度的进一步扩散,隧洞的变形总量增加,但变形速率逐渐降低,并最终得以收敛;数值计算再现了锚杆系统中的应力演化过程,其中拉应力的逐渐增大限制了围岩的部分变形;湿度在围岩中的扩散造成较大范围内围岩的强度降低,承载能力减弱,隧洞周边逐渐产生破坏。破坏的产生不仅引起局部应力集中,促使裂纹的进一步扩展,还有助于水分在围岩中的扩散。因此,湿度扩散和破坏（损伤）是一个相互影响的过程,也即湿度-应力-损伤耦合作用     

卡基娃滑坡变形破坏模式数值模拟研究

特大型土质滑坡的破坏模式,通过现场调查辅以常规的钻探等手段,难以得到全面的认识。本文以四川凉山自治县木里乡卡基娃滑坡为例,应用FLAC3D 有限差分软件,结合该滑坡实际地质条件、地质模型,选择自重+暴雨及假设滑坡前缘被冲蚀条件自重+暴雨两种工况模拟研究该滑坡的稳定性及可能出现的破坏模式,揭露了该滑坡破坏中最大应力、位移。     

东昆仑断裂粘滑错动对青藏铁路变形效应的数值模拟

东昆仑断裂是青藏高原北部现今仍在强烈活动的地震断裂之一,该断裂的未来地震活动及其突发性粘滑错动是青藏铁路面临的重大工程地质问题。基于东昆仑断裂的运动学特征,通过分别加入8 m和3 m的水平左旋位移,模拟了东昆仑断裂未来地震活动时震中位于铁路线附近和远离铁路2种情形下的铁路变形效应。模拟结果表明：震中位于铁路线附近时,断裂南侧基岩和第四系均发生8 m的左旋走滑位移,而铁路附近的第四系水平位移明显减小,铁轨和道床没有明显的断错,表现为4~5 m的连续左旋弯曲变形;铁路东、西两侧形成NE向的张裂陷和NW向的地震鼓包,而道床和铁轨的垂直位移幅度较小。震中远离铁路时的变形效应与震中位于铁路线附近时的变形相似,但位移幅度减小,铁轨和道床形成1~2 m的连续左旋弯曲变形。因此,东昆仑断裂未来再次发生7~8级强烈地震时,无论地震震中远离铁路还是在铁路附近,其断裂的突发性粘滑错动都将导致青藏铁路的大变形和破坏。