Hoek-Brown准则的主应力回映算法及其二次开发

在弹塑性模型数值实现的过程中,需要进行应力更新的回映算法。针对三维应力空间回映算法在奇异点收敛性方面的不足,提出主应力空间的回映算法,讨论了算法实现过程的应力空间转化问题,分析了应力更新过程中确定回映区域的方法,建立了相应的一致性刚度矩阵。基于大型有限元软件ABAQUS提供的用户材料子程序UMAT接口,利用 Fortran 编程语言,实现了Hoek-Brown准则主应力空间的隐式积分算法,利用开发的模型,进行了岩石常规三轴压缩试验的数值模拟,通过与ABAQUS内部的Mohr-Coulomb准则计算结果的对比,验证了模型和程序的可行性和准确性     

龙滩地下洞室群围岩稳定性分析

大型地下洞室群的开挖和支护结构与围岩的稳定性密切相关,龙滩地下洞室群是布置在陡倾角层状结构岩体的巨型地下结构。应用FLAC3D方法,研究龙滩地下洞室群在开挖和支护过程中围岩的变形特征以及支护结构的受力特点,并将位移计算结果和现场监测结果进行比较,结果表明：数值计算的结果与监测结果规律基本一致,但数值计算位移的量值比监测结果略大。由此可知,采用本计算方法模拟急倾斜岩体内开挖大型地下洞室群具有较强的可靠性。     

煤岩力学特性及其工程应用研究

对神府矿区煤岩进行单轴压缩以及循环加载的实验研究,从损伤的角度研究煤岩的变形破坏机理,以及煤岩中初始裂隙和空隙的闭合对煤岩强度和弹性模量的影响。研究表明：从损伤的角度看,煤岩整个破坏过程可以分为损伤弱化、准线性、损伤开始演化和稳定发展、损伤加速发展和峰后软化5个阶段,神府煤岩含有大量的裂隙和空隙,在损伤软化阶段闭合,显著提高其强度和弹性模量。采用提高后的弹性模量,模拟巷道的支护更为合理,煤巷的合理支护厚度为20～25 cm。     

泥岩隧道施工过程中渗流场与应力场全耦合损伤模型研究

在连续损伤力学理论基础上,将塑性损伤演化及渗流相互耦合的概念引入Mohr-Coulomb 破坏准则,用于分析在孔隙压力和塑性损伤演化共同作用下岩石损伤演化机制,建立了相应的有限元损伤数值分析模型,并应用于比利时核废料库开挖过程中泥岩隧道附近围岩发生损伤演化、渗流场和应力场耦合过程分析中,得到了开挖引起的围岩损伤特性、孔隙压力以及渗透性的变化规律,为进一步研究隧道流变过程水力耦合特性合理的数值计算模型建立方法提供基础。     

断裂损伤耦合模型在围岩稳定性分析中的应用

岩体的非线性变形是速率相关的时间过程。岩体开挖后，其内部应力场的调整与其内部的节理裂隙的扩展密不可分。基于损伤力学中等效应变和有效应力的概念，建立考虑节理裂隙断裂损伤耦合的力学模型，并将其应用于山西万家寨引黄中总干线一，二级泵站地下厂房围岩稳定性分析中，计算结果表明，应用所建模可以较好地反映工程岩体的特性。     

周期振荡法在低渗透测量中的应用研究

周期振荡法是一种新兴的多孔介质渗透率测量方法，具有测量周期短、稳定性好、精度高等优点。然而，由于缺乏对周期振荡法的系统研究，该方法未能在低渗透测量领域得到推广应用。采用数值模拟方法，分别研究了不同孔隙率、渗透率对周期振荡法气压测量结果的影响，以及不同形式周期波在周期振荡法渗透率测量中的适用性。结果表明：无论是孔隙率，还是渗透率都会影响气体压力传递过程；周期振荡法渗透率测量时可以不需要初始气压平衡过程，一定时间后测量结果几乎不受初始气压状态影响；与正弦波相比，方波对下游气体压力响应的影响更明显，而且方波、三角波和锯齿波具有容易加载的特点，建议采用方波取代正弦波进行周期振荡法试验。研究成果对指导周期振荡法试验和解决低渗透测量难题有一定帮助。     

隧道结构在线监测数据分析方法研究

数据管理系统完成监测数据预处理,在健康监测系统中具有重要地位。通过比选利用罗曼诺夫斯基准则(t检验法)进行监测数据粗差检测。小波降噪方法可以有效去除监测数据中由于环境等因素引起的误差(噪声),获得更真实的监测数据,但目前如何选取阈值函数、阈值和分解层数等问题未形成统一认识。利用武汉长江隧道健康监测系统中39组监测数据,从统计学的角度对比分析了不同阈值和阈值函数组合下的小波降噪效果,结果表明,选择Rigrsure阈值和硬阈值函数进行4~5层分解降噪效果最好,将所得的研究结果应用于武汉长江隧道健康监测系统中其他同期监测数据的降噪中取得了满意的效果。在此基础上进一步研究表明,相比于原始监测数据,利用降噪后数据预警可以有效避免虚警的产生。最后提出利用小波降噪和最小二乘法结合进行监测数据预测的方法,实践表明,预测结果准确可靠。     

水下盾构隧道运营期管片应变增量变化规律研究

掌握水下盾构隧道运营期结构正常响应规律是进行结构异常响应预警的前提。基于武汉长江隧道健康监测系统,首次获得了长期运营过程中（2013－2020年）管片应变监测数据,系统研究了应变增量分布规律、应变增量与温度增量和水位增量的关联关系、以及相邻管片应变增量空间的关联关系,提出了基于应变增量的结构异常响应预警方法并确定了相应的预警阈值。研究结果表明：（1）正常运营期应变增量分布尾部比正态分布更重,指数分布可以较好地描述应变增量绝对值的分布规律;（2）应变增量难以预测,但是其变化范围可以通过统计分析确定,据此可提出一种结构异常响应单测点预警方法并确定其预警阈值;（3）正常运营期间,相邻管片应变增量存在一种“你胀我缩”的变形模式,使得相邻管片平均应变增量能被约束在一个相对较小的变化范围,据此可提出一种结构异常响应多测点联合预警方法并确定其预警阈值。     

黏土岩饱和过程中水分运移规律试验研究

黏土岩作为高放废物地质处置库的备选介质,目前得到世界各国的高度重视。黏土岩地质处置库巷道施工过程中,一方面,围岩因开挖损伤生成裂隙使得渗透性增强,对核素的阻滞作用降低;另一方面,在应力和水的耦合作用下,黏土岩良好的裂隙渗透损伤自修复能力使得围岩的渗透性逐渐恢复接近于原始状态。基于电阻率测试,首先开展了黏土岩试样在不同条件下的饱和过程试验研究,得到了黏土岩试样饱和过程中等效电阻率的变化规律,分析了不同损伤程度试样、盐溶液对等效电阻率的影响,进而揭示黏土岩饱和过程中水分运移规律。试验结果表明：（1）等效电阻率随着含水率增加而逐渐减小,并逐渐趋于一个稳定值;（2）等效电阻率的大小不仅与含水率有关,试样内部裂隙的存在也会影响等效电阻率分布,这一发现为电阻率法可以探测试样中裂隙的存在提供了依据;（3）水流在黏土岩中扩散,内部裂隙成为优先通道,水流在裂隙中的快速扩散加快了黏土岩的饱和速度。同时,随着黏土岩中水分与黏土矿物的水化膨胀反应,内部裂隙有一定程度闭合,加深对裂隙闭合机制认识,通过电阻率测试可以有效地揭示这一过程。     

跨海峡海底隧道风化槽围岩力学特性研究

厦门海底隧道工程是我国建设的第一条海底公路隧道。隧道在建设过程中穿越F1～F4 四条断层破碎带,破碎带处洞体围岩软弱、破碎,岩石主要为风化破碎类花岗岩,该类岩石尤其是强风化花岗岩强度低,压缩性高,自稳和自承能力差,给隧道衬砌结构的设计和施工工艺的选择带来一系列特殊的问题。通过对风化破碎类花岗岩（主要包括微风化花岗岩和强风化花岗岩）试样进行一系列的室内试验,重点研究风化槽花岗岩的力学行为。强风化花岗岩三轴压缩试验及流变试验表明：强风化花岗岩强度低、变形大、弹性模量低,在达到峰值后,有明显的塑性流动,通过Mohr-Coulomb准则得到强风化花岗岩的摩擦角 约为31°,黏聚力约为0.1 MPa,且该岩石具有明显的流变特征。在流变试验的基础上,建立适合风化槽围岩特点的流变力学模型。其研究成果为海底隧道风化槽隧道围岩注浆加固和衬砌设计提供可靠依据和技术支撑。