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。     

基于黏弹性本构性能的隧道围岩变形预测研究

针对Ⅲ、Ⅳ级围岩,以江西高速公路隧道为背景,采用弹-黏塑性有限单元法分析预测不同类别隧道围岩变形。选取现场Ⅲ、Ⅳ级围岩进行室内剪切流变试验,分析得到Ⅲ、Ⅳ类岩样流变试验曲线与广义Kelvin 模型的流变曲线吻合较好。基于广义Kelvin模型,推导出黏弹性模型复杂应力状态下的应力-应变关系。采用施工过程的黏弹性动态反分析法计算围岩参数,结合反演参数对预测隧道围岩变形进行预测分析。研究成果已应用于实际隧道工程中,指导、修正设计和施工参数,可为安全施工提供合理依据。     

基于量测位移的隧洞围岩弹性抗力系数反演方法

在水工隧洞工程中,岩石弹性抗力系数K反映了岩石弹性抗力的大小,是设计环节中需要确定的一个极为重要的基础计算参数。水工隧洞工程中需用水压法试验测定弹性抗力系数,由于水压法测定抗力系数不仅耗时、费工、且试验工艺复杂。本文通过对比分析弹性状态下深埋圆形隧洞开挖支护与水压法试验力学效应关系,提出一种基于量测隧洞位移的围岩抗力系数的反演方法,该法可根据量测隧洞位移直接反演得到弹性抗力系数。结合北京市南水北调配套工程南干渠工程试验段工程实践,对浅埋水工隧洞位移进行监测,利用提出的反演方法,得到了隧洞围岩的弹性抗力系数。提出的反演方法为复杂水工隧洞不同围岩应力状态问题的弹性抗力系数反演提供参考和借鉴。     

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     

长距离输水隧洞稳定性及支护研究

针对榆林某输水隧洞工程东线,分析其施工期及运营期的安全性和稳定性,利用有限元软件Abaqus建立三维数值模型,研究隧洞的应力和位移状态及围岩状态.同时考虑隧洞在不同内水压力下的最大应力变化,并采取一定的支护措施.结果表明,随着内水压力的增大,隧洞衬砌应力也会增大,且增大速度逐渐增加.运用小导管注浆和锚杆支护能够减缓应力...     

向家坝水电站地下厂房围岩稳定的黏弹塑性有限元分析

考虑流变作用,建立三维有限元模型进行数值计算,以洞室变形和点抗滑安全系数为指标,针对向家坝水电站地下厂房围岩的特殊性进行稳定性研究,结果表明,随着围压的增高,流变速率逐渐减小,初始应变逐渐减小;软弱夹层处流变速率较其他岩体减小缓慢,且开挖后流变达到稳态状态时软弱夹层最终流变位移较大;黏弹塑性下围岩位移分布及变化规律与弹塑性一致,但黏弹塑性下计算位移明显要比弹塑性大;流变效应对岩体变形和稳定性,以及对支护结构有重要影响;黏弹塑性情况下,洞室围岩特征点抗滑安全系数比弹塑性条件下小,软弱夹层出露处和拱顶点抗滑安全系数较低,点抗滑安全系数分析还表明,软弱夹层对其稳定性影响明显,验证了位移分析结果。     

弹塑性软化模型下隧洞围岩变形与支护压力分析

为深入探究岩体非线性软化应变特性对隧洞围岩力学行为的影响,提出了一种考虑软化系数的岩体弹塑性软化模型,并推导了圆形隧洞围岩应力-应变的求解方法。然后,通过将本文方法与Brown方法、换算后的Mohr-Coulomb屈服准则方法进行对比,验证了本文方法的合理性。最后,探究了软化系数对围岩变形及支护压力影响规律。结果表明：软化系数较大时,采用弹塑性软化模型与弹脆塑性模型算得结果基本相同;对围岩变形及稳定性起主要控制作用的是松动区域范围;控制塑性区域出现时的临界支护压力在数值上与弹塑性区域交界处径向应力是相等的。     

节理岩体中隧道开挖与支护的数值模拟

由于节理、断层等不连续面的存在造成岩体变形的不连续性,并且这些不连续面对岩体变形、应力等力学行为造成重要影响。对已有的非连续变形分析程序进行了两点改进,应用改进的程序模拟了节理岩体中隧洞开挖与支护的过程,研究了不同节理倾角岩体的应力分布特性、开挖后隧洞围岩的变形和应力分布规律以及支护后衬砌的变形与应力特点。研究结果表明,节理倾角对节理岩体系统的应力和变形有着直接的影响,并且影响着隧洞开挖后的内空收敛效应;隧洞开挖顺序对围岩的变形和稳定也有重要影响。改进后的非连续变形分析方法和程序可以用来分析复杂节理岩体系统中隧洞的开挖与支护。     

一种双重孔隙-裂隙岩体流变模型及其在地下洞室有限元分析中的应用

用西原模型描述双重孔隙-裂隙介质的流变特性,在理论上给出了其流变参数及强度指标的确定方法,建立了瞬弹-黏弹-黏塑性平面有限元求解格式和研制了相应的计算程序。针对一个矩形地下洞室围岩为裂隙岩体和完整岩体的两种工况进行数值分析,对比了围岩中的位移、应力及塑性区。其结果显示:相比于单一介质的情况,双重介质因其变形模量、凝聚力和内摩擦角减小,故洞室围岩中随时发展的位移和塑性区有明显的增长,两种工况的围岩应力分布亦存在较大的不同,特别是双重介质围岩中最大主应力σ_1和最小主应力σ_3的差值较大,因此,提高了围岩破坏的可能性。     

基于收敛-约束法的隧洞纵向变形演化规律研究与支护时机估算

依托某供水工程输水隧洞建立三维数值模型,采用有限差分法和Mohr-Coulomb屈服准则进行施工开挖过程的数值模拟,研究不同围岩条件下隧洞支护时机的估算。首先,基于收敛-约束法进行隧洞开挖推进过程中的变形规律研究,分析监测断面的围岩变形特征,研究发现围岩位移的收敛规律与围岩质量相关,提出隧洞纵向变形曲线的修正公式。然后,采用一步挖穿分期释放的模拟方法,研究监测断面位移随开挖荷载释放的变化规律,以相同的位移释放系数为出发点,构建,开挖面推进距离与荷载释放率之间的关系,并将对应的围岩位移陡增点作为施加支护的推荐时机,得出不同围岩条件下施加支护与开挖面之间的控制距离。研究结果表明,提出的纵向变形公式相关参数确定过程简单,拟合效果良好,推荐的支护与开挖面之间的控制距离符合工程实际规律。     

浅埋暗挖洞桩法参数敏感性分析

针对浅埋暗挖洞桩法理论分析落后于工程实践的实际情况,依据地下结构设计计算理论的地层--结构法,以有限单元法作为分析手段,建立三维计算模型,系统开展了浅埋暗挖洞桩法施工过程的数值模拟,以及参数变化对洞周围岩稳定性和位移场的影响分析。结果表明：浅埋暗挖洞桩法用于大断面洞室或超浅埋洞室暗挖施工时,洞周围岩稳定性良好,并可有效控制地表沉降。洞室跨度为14 m左右时控制地表沉降的效果最好;在不同埋深条件下控制地表沉降的效果基本相同;洞室高度的影响则不明显。研究的结论对今后浅埋大断面单跨洞室暗挖施工方案比选和采用浅埋暗挖洞桩法施工具有指导 作用。     

复杂应力状态下土质高边坡稳定性分析

结合现有的实际滑坡场地,开展了关中盆地黄土塬边的高边坡稳定性研究。基于弹塑性理论和非关联流动法则,根据双剪统一强度理论,建立了双剪统一弹塑性本构模型的显式有限差分格式。针对陕西省泾阳县南塬高边坡滑坡的现场勘测和室内试验,分析了滑坡的规模和滑坡前后的地形特征。在此基础上,还原了滑坡前的边坡地形概状,建立三维计算模型并运用三维拉格朗日有限差分方法分析了中间主应力对高边坡稳定性的影响;然后考虑中间主应力的影响对不同地下水埋深和渗流时边坡的稳定性进行分析。结果表明,考虑中间主应力情况下,随着地下水位升高,坡顶水平向位移增大;当不考虑渗流时,坡顶水平位移增大到一定值后边坡达到稳定状态,而考虑渗流时坡顶水平位移持续增大,并且容易发生突然的破坏失稳。期望对泾阳南塬滑坡群的破坏机制研究提供一定参考。     

岩体渗流分析的无网格方法

岩体的渗透破坏、岩体中石油渗流、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关。但由于岩体渗流介质的非均质性和各向异性特性、边界条件和几何形状的复杂性、初始条件的不确定性等因素制约着解析法在渗流计算中的广泛应用。应用无网格方法来求解岩体的渗流问题,通过变分原理详细推导无网格方法求解岩体渗流的离散方程及相关的计算公式,并利用有限元耦合方法对边界条件进行了处理。通过两个数值算例说明该方法的正确性和有效性。     

隧道衬砌渗漏水病害模型试验系统的研制及应用

随着我国隧道通车里程与运营时间的不断增长,越来越多的隧道进入病害高发期,地下水是导致隧道病害最为严重的因素之一,容易诱发衬砌发生渗漏水等病害,为研究隧道衬砌渗漏水病害发生机制,研制了三维地质力学模型试验系统,开展了不同埋深条件下隧道衬砌渗漏水病害模型试验研究。该系统由可拓展模型试验台架、地应力模拟加载装置、地下水模拟加载装置、多场信息实时监测装置和衬砌渗漏水实时量测装置等组成,利用油压千斤顶和多功能加载水泵,采用分级加载方式可对隧道不同埋深进行模拟。将该系统应用于隧道衬砌渗漏水病害模型试验研究,通过对渗漏水量、渗压和位移等信息进行分析,揭示了不同埋深条件下穿越交叉断层隧道衬砌渗漏水病害的演化规律,并对堵排结合治理方案进行了初步研究,验证了排水对降低衬砌渗漏水量的积极作用,试验结果与运营期开元隧道衬砌渗漏水病害工程实例吻合良好,证明该系统稳定可靠,其研究方法及结果可为相关工程提供一定的参考。     

渗透压力作用下加锚裂隙岩体围岩稳定性研究

岩体中裂隙水的存在加剧了岩体结构围岩损伤;锚杆作为岩体工程的重要支护手段,被广泛应用于岩体加固工程中。结合无损伤材料的柔度张量的概念,用裂隙附加柔度张量来表示裂隙对岩体的损伤影响;引入渗透压力附加柔度张量的概念来定义渗透压力对裂隙岩体强度的损伤影响;利用附加刚度来反映锚杆对裂隙岩体的加固作用,附加刚度求逆即得柔度张量。对渗透压力作用下锚固裂隙岩体渗流场与损伤场相互作用及耦合机制进行了深入研究;基于能量互易定理,自洽理论等,分别在压剪和拉剪应力状态下推导了渗透压力作用下加锚裂隙岩体等效损伤模型,建立了相应的计算方法,应用半解耦方法对理论模型进行了有限元程序化。在有限元程序中,将渗透体积力化为等效节点力,参与各单元间应力调整且表现为岩体变形过程中刚度的降低;锚杆锚固力等效为单元节点力,并体现为岩体整体变形刚度的提高。结合工程实际,着重讨论渗透压力作用对隧道围岩稳定性的影响。分析表明,渗透压力对岩体围岩变形破坏及稳定性的影响是不可忽略的。     

考虑轴向力和渗透力时圆形隧道广义Hoek-Brown解

为了研究渗透水压力和轴向应力共同作用时隧道围岩的应力和位移变化趋势,将圆形隧道简化为轴对称模型,假定渗透场以渗透体积力作用在原应力场,以围岩开挖断面为假定平面,引入垂直于该平面的轴向应力。基于广义Hoek-Brown强度准则和非关联流动法则,推导出考虑轴向应力和渗透场共同作用时弹-脆-塑性围岩的应力和位移非线性解,采用数值算例分析了轴向应力和渗透力共同作用时隧道围岩塑性区应力场和位移场的分布规律。计算结果表明：与无渗透水压力作用下的模型相比,渗透力作用使得围岩塑性区各点位移增大,并且内外水头差越大,位移增大越明显。当轴向应力为中主应力时,围岩塑性区半径和塑性区各点应力增大,轴向应力为大主应力和小主应力时,围岩塑性区半径和塑性区应力变化较小。因此,渗透力的存在不利于隧道围岩的稳定性,并且轴向应力的大小对于富水地区隧道围岩的应力和位移分布具有较大影响。在施工设计时考虑渗透力以及轴向应力的共同影响对于保证隧道围岩稳定性具有重要意义。     

Generalized Hoek-Brown solution of circular tunnel considering effects of axial stress and seepage forceEI北大核心CSCD

This paper studies the joint effect of seepage force and axial stress on the stress and displacement of circular tunnel. The circular tunnel is simplified as an axisymmetric model and the seepage field is simplified as volumetric force in the stress field. The excavation cross-section of surrounding rock is assumed as a plane as well, and an axial stress perpendicular to the plane is further introduced. Nonlinear solutions for the stress and displacement of circular tunnel are deduced considering the joint effect of axial stress and seepage force, based on the generalized Hoek-Brown failure criterion and the non-associated flow rule in elastic-brittle-plastic rock mass. Numerical simulations are also employed to analyze the distribution of stress field and displacement field in plastic zone of a circular tunnel under the joint effect of axial stress and seepage force. The calculated results show that the displacement in plastic zone increases significantly with the gradient increment of the seepage pressure, compared with the situation without seepage force. The radius and stress of surrounding rock in plastic zone increase when axial stress is the intermediate principal stress, while the radius and stress have less change when axial stress is the major or minor principal stress. It can be concluded that the seepage force has negative effects on the stability of circular tunnel, and the axial stress significantly influences the stress and displacement of the circular tunnel, especially in water-rich areas. Therefore, it is necessary to consider the joint effects of axial stress and seepage force to ensure the stability of circular tunnel in water-rich area.     

土质边坡的饱和−非饱和渗流分析及特殊应力修正

基于连续多孔介质原理与混合体原理引入流?固耦合模型,采用FISH语言编制程序,建立了初始渗流场设置函数、饱和?非饱和渗流分析模块、特殊应力修正模块以及非饱和单元抗剪强度修正模块,实现了利用FLAC3D进行饱和?非饱和渗流分析,同时基于饱和?非饱和渗流场修正非饱和区土体单元的有效应力以及抗剪强度,完成了将FLAC3D中饱和土流?固耦合计算原理扩展到非饱和土中。在二次开发的分析模块基础上对Liakopoulos砂柱排水试验进行数值模拟,验证了计算模型和计算程序的正确性。同时也研究了降雨入渗对土质边坡的渗流场、位移场以及稳定性演变过程的影响,揭示了降雨诱发边坡失稳的机制。     

块状岩体边坡地震滑动位移分析

岩体边坡在强震作用下往往会产生滑动残余位移。这种位移是边坡稳定性评价的重要参量。本文利用块体动力学原理推导出层状和块状岩体边坡地震滑动位移微分方程式, 并编制了相应的计算程序, 给出了实例的计算结果。     

锚杆对围岩的加固效果和动载响应的数值分析

利用数值分析软件LS-DYNA3D程序,对锚杆对围岩的加固效果和动态力学性能进行了显示动力分析,比较了洞室围岩是否用锚杆加固时,爆炸波引起的岩体中垂直应力、拱顶位移以及锚杆本身轴向应变的变化特点。结果发现：同毛洞相比较,加固洞室围岩应力较大,拱顶位移较小;通过分析锚杆轴向应变-时程曲线,发现不同安装角的锚杆其轴向应变对动载的响应不同,拱部锚杆先受压后受拉,直墙部锚杆全受拉,两部位锚杆均产生轴向拉应变;将模拟的锚杆应变-时程曲线同模型试验的相应曲线进行了比较,两者一致性较好,其结果为动载作用下坑道围岩锚杆加固的布置方法提供了参考。