黄土连拱隧道动态施工围岩损伤局部化研究

为了研究黄土连拱隧道动态施工时围岩的损伤情况和损伤分布规律,在室内试验的基础上推导了Q2黄土的弹塑性损伤本构模型,并基于FLAC3D平台编制了自定义本构模型,提出了损伤度概念并编制了损伤度后处理模块。以国内首条高速公路黄土连拱隧道-离石隧道为依托工程,对两种开挖方案施工时围岩损伤情况进行数值分析。研究表明,该成果可以较好地掌握隧道每一开挖步后围岩损伤度的分布情况和损伤区的演化规律,为施工方案优化选择提供依据。该研究成果为地下工程支护参数优化和方案的选择开辟了一个新的方向。     

不同建模假定下岩石损伤黏弹模型的参数转换关系探讨

将外界因素对岩石变形的影响考虑为瞬间弹性损伤和长期蠕变损伤,并根据加载瞬间弹性模量及蠕变模量的劣化分别对瞬间弹性损伤变量和蠕变损伤变量进行定义,由此建立了考虑损伤的kBurgers模型。在此基础上,通过假定泊松比和体积模量为常量分别得到了对应的模型三维表达式,并得到了不同建模思路下模型参数间的换算关系。最后结合实际算例,对常体积模量假定下模型参数随含水率变化的损伤演化规律进行了分析,获得了常体积模量假定下模型的瞬间弹性损伤和长期蠕变损伤演化方程,检验了模型参数换算关系的有效性。     

基于Drucker-Prager准则的岩石弹塑性损伤本构模型研究

大多数岩石材料软化本构模型在硬化函数中引入塑性内变量来表示材料的硬化/软化性质,但并不能反映岩石微裂隙损伤对材料力学性能的影响及单轴拉伸和压缩所表现的初始屈服强度f0与屈服极限fu的差异。基于D-P准则同时考虑塑性软化及损伤软化,建立岩石类材料的弹塑性本构关系及其数值算法。塑性屈服函数采用Borja等的应力张量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;由于岩石损伤软化是微裂隙扩展所导致的体积膨胀引起的,因此,提出用体积应变表征岩石损伤变量的演化,并用回映隐式积分算法编制了岩石的弹塑性损伤本构程序。对单轴压缩及拉伸荷载作用下的岩石材料试验进行数值模拟,结果表明,所提出的岩石弹塑性损伤本构模型可以较好地符合岩石材料的力学特性。     

高应力硬岩卸荷岩爆模式及损伤演化分析

针对岩爆形成机制研究的不足,结合岩爆实例和真三轴加、卸荷试验,分析了卸荷岩爆模式,建立了围岩卸荷岩爆发生劈裂破坏和剪切破坏的损伤变量表达式,即损伤演化方程。结果表明,岩爆破裂演化表现为劈裂和剪切的复合破坏形式,不同之处只是劈裂和剪切哪一个所占的成分更大而已;随着剪切成分的增大,爆坑由呈现平底到弧形甚至三角形或V形;随着应力的增加,岩爆倾向性围岩有一段时间的平静期（无损伤）,具体平静期存在时间的长短与围岩卸荷前后的应力水平有关,损伤一旦开始则加速度明显,具有较强的临界敏感性;劈裂总是优先发生的,围岩卸荷后的应力水平越高含剪切成分越大,岩爆也越强烈。     

寒冷地区输水渠道冻胀破坏链式分析及减灾研究

寒冷地区输水渠道在运行过程中,由于持续负温的影响,地温逐步下降,引起渠基土体水分分布发生变化导致土体冻胀,致使输水渠道结构破坏,这种作用影响所表现出来的链式效应是冻胀破坏作用的重要特征。为了探明寒冷地区输水渠道冻胀破坏机理,分析渠道的冻胀破坏因素,引入链式破坏理论进行分析。从系统理论出发,分析冻胀破坏系统的链式关系结构,建立冻胀破坏链式效应关系模型。以寒冷地区渠道衬砌结构冻胀破坏为例,分析经过一个冻融周期,渠基土体颗粒、土体成分组成、气温、地温变化规律和土壤水分迁移规律对渠道衬砌结构冻胀破坏的影响。分析渠道衬砌结构冻胀破坏链式机理,是在外部环境气温、水分等条件输入下,地温分布受土体性质及土体水分的影响,土体水分迁移受地温和土体性质的作用,土体产生冻胀是对地温和水分分布作用的响应,以此为依据提出寒区渠道冻胀破坏断链减灾方法。     

利用钻孔注水试验测试爆区周边岩体损伤场的可行性研究

穿孔爆破是露天矿开采的主要模式,爆破产生的冲击效应将导致周边岩体出现不同程度的损伤破裂,影响台阶边坡的稳定性。提出一种利用钻孔注水试验评价爆破周边岩体等效损伤场的方法,通过向若干钻孔内注满水,记录不同时间的水位,绘制水位随时间的变化曲线,并最终获得不同位置的损伤程度及损伤深度。采用相对损伤因子定量化表征爆破对岩体的损伤程度,通过水位-时间曲线中速降段与平缓段的交界点反映岩体的损伤深度及损伤距离。通过试验发现,爆破引起的周边岩体损伤范围一般在20 m之内,引起的最大损伤深度在12 m以内;铁矿的抗爆能力高于灰岩,相同位置铁矿的相对损伤因子比灰岩的小7.5%左右,铁矿的最大损伤距离及最大损伤深度均比灰岩的小4～6 m;某些情况下注水后水位会快速降至某一特定高程,然后保持不变,表明该高程出现了贯通性导水带,可通过窥视仪等设备进行观察校核。     

基于岩石爆破损伤理论的预裂爆破参数研究及应用

工程中预裂爆破参数确定方法通常为经验类比法。该方法以经验公式为基础,存在理论依据较为缺乏等缺点。为此,引入岩石爆破损伤、应力波和爆生气体共同作用等理论,在考虑岩石初始损伤等影响因素的基础上,提出预裂爆破参数计算式。基于提出的理论方法,在现场开展了预裂爆破试验。针对爆破试验,比较了采用经验类公式和提出的理论计算式得到的线装药密度,并对爆破效果进行了分析。试验结果表明,预裂爆破效果良好。考虑爆破损伤效应的爆破参数确定方法比经验类比法合理。最后,在提出的理论计算方法基础上,给出了实际工程中确定预裂爆破参数的建议。     

基于宏观经济指标对张家口地区地震灾后经济损失快速评估

利用宏观经济指标—GDP(国内生产总值)结合宏观易损性模型对河北省张家口地区地震灾害损失进行快速评估。本文以实际震例数据为基础,通过宏观易损性分析法分别对震后科考实际影响场进行震后经济损失评估,并与震后实际经济损失进行对比,初步验证该方法在小尺度空间范围内震后经济损失快速评估中的可行性。     

基于黄土结构损伤的地裂缝局部化破裂发展机制

针对西安地裂缝活动条件下黄土覆盖层裂缝的发展与形成,依据黄土的构度和应力比结构性参数变化规律,分析了黄土构度和抗拉强度之间的关系,建立了黄土结构性演变的数学模型,抗拉强度与抗剪强度随结构性参数变化强度准则,以及反映黄土结构性演变的Mohr-Coulomb屈服面弹塑性模型.通过本构模型嵌入FLAC3D软件,数值模拟西安地裂缝活动边界条件,以及结构性黄土地层结构,进行了黄土结构损伤变化和地层破裂带形成发展分析研究.表明地裂缝错动位移作用条件下,黄土地层塑形区域破裂带发展分为初始剪切破坏、初始拉伸破坏、剪切与拉伸破坏发展、破裂带贯通四个阶段;地层破裂带黄土的结构性损伤衰减变化突出,黄土应力比结构性参数等值线与地层塑性破裂带分布一致.揭示的黄土地层局部化破裂发展过程机制,对于认识地裂缝造成地面建筑物与地下工程灾害有重要的理论和实际意义.     

考虑孔隙水压力作用的岩土体弹塑性模型及其有限元实现

岩土工程中孔隙水的作用一直是工程安全稳定分析中不容忽视的问题。基于Viesca提出的考虑饱和孔隙水压力作用的孔隙弹塑性模型,推导其在满足D-P准则的理想弹塑性情况下的具体形式。对于不排水条件,饱水状态下材料强度参数被等效化,使得屈服面的形状发生改变,同时根据最近点投影法确定其在弹塑性计算中的本构积分策略。不排水孔隙水压力对岩土体的塑性响应的影响得以表达,而对结构的稳定性的影响通过基于过应力概念的不平衡力反映出来。基于该模型开发非线性有限元程序PoreTfine,选取非均质边坡降雨入渗下的稳定问题作为算例验证其实用性,边坡随降雨作用的非平衡演化过程得到研究。Skempton系数的增大对连续降雨条件下边坡有弱化作用,对其稳定性不利。