黏土半巷道围岩模型过巷道轴线平面破坏过程实验观测∗

为了观测过巷道轴线平面上应变局部化带及裂纹的发展演化规律,开展了黏土半巷道围岩模型三轴压缩实验研究。半巷道围岩模型的观测表面处于平面应变状态,且分步开挖巷道。在每次巷道开挖之前,对半巷道围岩模型卸荷。每次巷道开挖之后,再对半巷道围岩模型加荷。采用数字图像相关方法观测了观测表面的最大剪切应变场,并统计了裂纹面积百分比随纵向应变的演化规律。得到以下结论:当纵向应变较高时,在半巷道围岩模型的观测表面上,出现了由巷道两帮或两帮与掌子面交点处发展出的应变局部化带;另外,还出现了距离巷道表面较远的应变局部化带。由此可以推出,垂直于巷道轴线平面上将会出现分区破裂化。裂纹面积百分比随纵向应变的增加而增加;随着阈值(可识别的裂纹面积的最小值)的增加,裂纹面积百分比降低,但降低的速度越来越慢。剪裂纹主要位于巷道的两帮;拉裂纹遍布各处,呈现一定的等间距性。     

不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟结果表明:当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了"狗耳"形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。     

发电机定子冷却水管路堵塞的原因分析及处理

利用FLAC模拟了不同岩石峰后脆性条件下圆形巷道围岩的破坏区分布及能量释放规律。在计算中,采用了应变软化本构关系及"先加载,后挖洞"方式。模拟结果表明,随着峰后脆性的增加,围岩中发生破坏的单元变多,释放的弹性应变能总量增加,巷道围岩越来越难于再次达到平衡状态;尽管在一些算例中出现了沿环向发展的破坏区,但是不认为这与分区破裂化现象有关;难于采用二维的滑移线或破坏特征线解释分区破裂化现象。围岩分区破裂化现象的研究可从三维连续介质模型的空间局部化视角出发,亦可从二维颗粒体模型的颗粒相互作用机制视角出发,这两种思路都引入了二维连续介质模型中不具备的因素。     

不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。文中模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。     

单轴压缩土样剪切带上主应变轴偏转角的分布及规律统计北大核心CSCD

根据土样纵向应变较高时最大剪切应变场中清晰剪切带所处位置沿剪切带方向布置平直测线,获得6条测线上从剪切带萌生至微裂纹刚出现过程中主应变轴偏转角的分布及演变规律,并对其进行了统计。研究发现：当微裂纹刚出现时,测线上主应变轴偏转角的高峰和低谷对应于2条共轭剪切带的交汇处附近或剪切带上最大剪切应变的局部高值区附近;在土样中部,剪切带上主应变轴偏转角主要分布在-5°-5°;随着纵向应变的增加,剪切带上主应变轴偏转角的标准差先降低,后趋于稳定;对于发生顺时针剪切的剪切带,主应变轴偏转角的均值主要为负值,而对于发生逆时针剪切的剪切带,主应变轴偏转角的均值以正值为主。     

单轴压缩土样剪切带上主应变轴偏转角的分布及规律统计

根据土样纵向应变较高时最大剪切应变场中清晰剪切带所处位置沿剪切带方向布置平直测线,获得6条测线上从剪切带萌生至微裂纹刚出现过程中主应变轴偏转角的分布及演变规律,并对其进行了统计。研究发现:当微裂纹刚出现时,测线上主应变轴偏转角的高峰和低谷对应于2条共轭剪切带的交汇处附近或剪切带上最大剪切应变的局部高值区附近;在土样中部,剪切带上主应变轴偏转角主要分布在-5°~5°;随着纵向应变的增加,剪切带上主应变轴偏转角的标准差先降低,后趋于稳定;对于发生顺时针剪切的剪切带,主应变轴偏转角的均值主要为负值,而对于发生逆时针剪切的剪切带,主应变轴偏转角的均值以正值为主。     

地震块体模型的共轭剪切破裂带数值模拟

对地震块体模型的应变率场的数值模拟结果表明 ,地震块体模型 ,尤其是当界面法向和切向刚度较大时 ,能产生明显的共轭剪切破裂带。地震块体模型存在老断层 ,呈现各向异性 ,因而 ,促进了某一方向上的主条带充分发展 ,与主条带共轭的次条带被抑制。存在复杂地质构造可能是地震带的间隔距离并不严格相等的原因。地震发生在剪切破裂带交叉部位的原因是这一位置剪切应变率较高。考察应变率场能揭示出地震块体模型的应变局部化特征。在构造运动作用下 ,新生构造与老构造并不重叠是可能的 ,因而 ,新生构造的交汇点就不一定出现在老断层上。地震块体模型的中心块体的尺寸越大 ,中心块体越稳定     

上覆富水砂层地铁隧道掌子面变形特征数值试验研究∗

为研究地铁隧道在上覆富水砂层下的变形特征，以典型上覆富水砂层隧道—青岛地铁 2 号线啤—苗区间为工程研究背景，采用 FLAC 3D 数值模拟软件对不同富水砂层厚度与隔水层厚度工况下隧道掌子面位移、塑性区变化特征进行了研究分析。研究结果表明：隔水层厚度是影响掌子面是否发生涌水涌砂的主控因素，在开挖过程中应时刻注意富水砂层距离隧道顶板的安全距离，临界隔水层的厚度为 3 m。同时，当隔水层厚度越大、富水砂层厚度越小时，掌子面变形就会越小。以临界工况为研究对象，通过分析开挖过程中隧道拱顶—拱腰—掌子面应力和位移变形规律，引入了位移释放系数和应力释放率两参数来揭示围岩与掌子面在隧道开挖过程中的影响关系。通过进一步拟合掌子面失稳破坏预测方程，得到了掌子面变形释放率拐点先于同一断面围岩径向变形且发生在开挖到目标断面之前的重要结论，因此在实际隧道开挖过程中应将掌子面的变形作为首选敏感监测指标。研究结果可为该不良地质条件下隧道掌子面稳定性和预加固时机选择提供一定的理论指导。     

特大断面板岩隧道施工期围岩变形时空效应分析

目前,关于特大断面板岩隧道施工期围岩时空变形规律缺乏系统性的总结。以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道为例,结合变形监测资料,分析在不同开挖方法下特大断面板岩隧道施工期围岩时空变形规律,划分围岩变形-时间特征曲线及围岩变形-距掌子面距离关系曲线的类型;分析围岩位移释放率与时间和距掌子面距离的关系,研究围岩级别和空间位置对特大断面板岩隧道施工期围岩变形时空效应的影响规律。结果表明:围岩变形-时间特征曲线的类型可分为"弯弓"型和"台阶"型。"弯弓"型划分三个变形阶段,适用于Ⅲ、Ⅳ级围岩;"台阶"型划分四个变形阶段,适用于Ⅴ级围岩。围岩变形与距掌子面距离的关系曲线的类型可分为"单厂"型和"双厂"型。"单厂"型曲线出现在Ⅲ、Ⅳ级围岩地段,当监测断面距掌子面超过5倍洞径时,围岩变形趋于稳定,空间效应趋于消失;"双厂"型曲线出现在Ⅴ级围岩地段,当监测断面距掌子面超过3倍洞径时,围岩变形基本趋于稳定。最后,提出了不同围岩级别下隧道围岩径向位移释放率随时间和距掌子面距离的变化规律,研究结论对于特大断面板岩隧道围岩长期稳定性的研究具有借鉴价值。     

南京新近沉积淤泥质土震陷特性试验研究

震陷是地基基础的主要震害之一。目前已建立了若干经验公式来估算土的永久应变势,但是已有的经验公式参数较多,需要做大量的试验才能确定这些参数。本文通过英国WFI振动三轴仪对南京新近沉积淤泥质土做了一系列的震陷试验,得到了不同围压、固结比和轴向动应力下的试验结果。分析发现,对不同围压和固结比,基于最大往返剪切作用面的概念,在双对数坐标系中轴向动应力与循环振动次数的关系可通过最大往返剪切作用面上的动剪应力比实现归一化,即仅做一个围压和固结比的试验即可得到土的全部震陷参数;结合前人提出的永久应变势经验公式,推出计算南京新近沉积淤泥质土的简化经验公式,其结果能较好地模拟土的震陷特性,在永久应变达到4%时,该土的永久应变急剧增长。     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值(计算得到的泊松比)。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力—侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加载阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0.5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

结构面分布特征对隧道围岩变形影响的数值模拟分析

结构面对隧道围岩变形及稳定性起着决定性作用。运用三维离散元方法(3DEC)研究结构面分布特征,重点是结构面线密度1/λ、强度和倾角对隧道围岩变形的影响,总结了结构面分布与围岩变形特征的关系。结果表明,在结构面强度较低的情况下,结构面线密度对隧道变形的影响较大,其影响可分为两种情况:①λ≤0.2时,围岩的弯曲变形大于沿结构面的剪切变形,属于应力型大变形;②0.2<λ≤0.4时,沿结构面的剪切变形大于围岩的弯曲变形,属于结构型大变形。结构面倾角主要影响围岩大变形发生的位置。将数值模拟结果与国内工程实例实测变形资料相对比,发现一致性较好。本研究结果对隧道支护结构的设计以及施工设计具有借鉴意义与指导作用。     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用"先加载,后挖洞"的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

高速公路连拱隧道开挖三维稳定性分析

通过对金丽温高速公路湾连拱隧道工程区的地质特征的详细分析和现场调查,系统研究了湾隧道开挖及加固全过程的围岩应力场、变形场的状况及变化特征。结果表明,湾连拱隧道围岩应变率较高,围岩衬砌后的位移值比未衬砌时减小了50%,采用目前的衬砌类型后,衬砌变形将较大幅度地变小,衬砌应变值基本满足要求;虽然围岩拉应力值随着隧道的开挖逐渐变大,除局部位置外,衬砌整体基本满足抗拉的要求。     

山岭隧道衬砌‑减震层体系动力响应研究∗

为了探寻隧道设置减震层时影响减震层减震性能的关键因素,建立了设置减震层的隧道有限元数值模型,将数值模型与振动台试验进行对比,验证了数值模型的可靠性。改变减震层设计参数和围岩条件,通过对隧道结构的主应变、相对变形率以及围岩的塑性区进行分析,研究不同参数条件下减震层的减震效果。结果表明：设置减震层后隧道加速度响应的传递函数在15~30 Hz 频段范围内减小,说明减震层通过吸收地震波中的高频成分,减小地震波能量向隧道的传递,进而减小隧道的地震响应。参数分析结果表明：减震层弹性模量越小厚度越大,减震层的减震效果越加明显,但隧道结构的相对变形率也随之上升。相比于增加减震层厚度,降低减震层弹性模量对减震效果的提升更为显著。在坚硬围岩中的设置减震层相比于软弱围岩减震效果更显著。