基于全动力分析法的地震边坡与隧道稳定性分析

目前地震边坡和隧道稳定性分析方法尚有一些不尽如人意的地方,如地震边坡的破裂面假定为剪切破裂面,这与汶川地震边坡破坏现象不符;地震边坡稳定性分析采用时程分析法,假定在某一时刻加速度作用下,将其作为静力问题来计算边坡稳定安全系数,没有充分考虑加载的动力效应;同样,未考虑地震作用下隧洞围岩的拉破坏,对隧洞围岩破坏缺少动力稳定性标准,也不能充分考虑隧洞围岩与衬砌的动力效应。为此,基于有限元强度折减法,提出了一种完全的动力分析方法——强度折减动力分析法,计算中同时考虑剪切强度和抗拉强度参数的折减,并采用计算不收敛和位移突变综合判断边坡和隧道是否动力失稳破坏,以极限状态时的强度折减系数作为地震边坡和隧道的动力稳定系数,由此获得拉、剪组合破裂面与全动力稳定安全系数,充分考虑了动力效应。     

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面特征及工程应用

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面的合理确定对于围岩压力计算及支护结构设计极为重要。本文基于隧道开挖诱发地层不均匀变形特征与顶板岩层发生张拉剪切破坏的关系,采用Peck曲线方法和数值方法来确定顶板潜在滑移面特征,进而研究了隧道覆跨比、围岩参数变化对滑移面特性的影响,并应用于实际工程。结果表明:(1)基于Peck曲线和数值分析方法来确定浅埋隧道顶板岩层潜在滑移面的形态与实测结果一致;(2)浅埋隧道顶板岩层的等效破裂角仅在围岩黏聚强度较低条件下才符合45°+φ/2,围岩级别越好,破坏范围越小,滑移面形态呈平缓的"S"型;围岩越差,破坏范围越大,滑移面形态呈竖直的"椭圆"型。随着隧道覆跨比、侧压力系数及抗剪强度指标的增大,等效破裂角呈减小趋势。地表开裂点随着覆跨比和侧压力系数增大而逐渐远离隧道轴线,随着岩体强度指标的增大而逐渐向隧道轴线迁移。     

基于强度折减示意图的边坡稳定分析双折减系数法

当边坡达到极限平衡状态时,强度参数内摩擦角、黏聚力对边坡稳定性有不同程度的贡献,说明传统强度折减法假设强度参数以同一程度折减的方法存在缺陷。为克服传统强度折减法的不足,本文提出基于强度折减示意图的双折减系数法。首先分别对土体强度参数进行单一折减,由两折减系数得折减比。在摩尔库仑强度准则基础上,依据强度折减示意图,由特征点折减前后的抗剪力之比推导出双折减系数法下安全系数K的表达式。借助有限元软件,模拟了不同算例,对比分析了不同稳定分析方法求得的安全系数。结果表明:通过本文方法算得的安全系数与其余四种双折减系数法的计算结果基本一致,且得出的滑动面位置与传统强度折减法基本趋于一致,临界状态更为可靠,说明本文提出的双参数折减法具有较好的理论支持,且关系式简单,意义明确,可应用于边坡稳定性分析。     

地面非对称填载对既有明挖隧道围岩压力的影响分析

运用普氏理论、朗金土压力理论,对地面非对称填载作用下既有明挖隧道围岩的破坏模式和围岩压力计算进行了探讨。分析表明,地面非对称填载作用下既有明挖隧道的围岩压力计算按埋深可分为三种情况:深埋时采用普氏理论计算;浅埋且地面填载侧边墙与滑裂面之间会产生土拱效应时,该边墙所受的围岩压力采用普氏理论来计算,对侧边墙借助朗金土压力理论来计算;浅埋且地面填载侧边墙与滑裂面之间不产生土拱效应时,将左右边墙都当作挡土墙,借助朗金土压力理论来计算。     

考虑岩体各向异性强度的隧洞围岩稳定性分析

岩体中普遍存在着大量的节理裂隙等不连续面,这些不连续面对岩体的强度有着重要的影响。以具有较密集成组节理的岩体为研究对象,以Drucker-Prager准则和裂隙应力张开准则为基础,分别考虑岩块和节理面各自的物理力学性质,研究岩体在各向异性强度准则下的理论方法,并建立了岩体各向异性本构模型,用以描述节理岩体在强度方面的各向异性及其破坏特征。将该模型用于隧洞围岩稳定性分析工程中,研究表明,该模型可以较好地解释节理岩体围岩的破坏特征,与工程实践相符。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及深埋地下工程的设计与施工具有重要的指导意义。     

跨断层隧道施工应力路径识别与扰动分析∗

跨断层隧道围岩性质会发生突变，给隧道施工扰动分析和安全预测带来了挑战。准确识别跨断层隧道在不同围岩条件下施工诱发的应力路径并开展基于应力路径的扰动分析，具有重要的科学价值和工程实践意义。因此，构建了基于围岩应力路径的隧道开挖扰动分析方法，通过三维数值分析识别了跨断层隧道施工诱发的典型应力路径并进行了扰动分析，总结了跨断层隧道施工扰动时空规律。结合围岩的强度准则和应力路径，用扰动系数描述扰动后围岩应力状态接近破坏的程度。随着扰动系数的增大，围岩应力状态逐渐接近破坏准则，当扰动系数等于 1 时，围岩发生破坏。跨断层隧道在上下盘围岩区的扰动系数始终小于 1，处于弹性状态；而断层破碎区因围岩性质差，其开挖扰动系数达到 1，进入塑性和破坏状态。离洞壁越远，施工扰动越小，扰动系数亦越小。支护后，断层破碎区和上下盘硬岩区的扰动系数均出现减小趋势，围岩趋于稳定，表明了支护的有效性。     

大断面隧道软弱围岩-支护系统稳定性分析

采用室内试验研究手段获得隧道围岩力学特性,以Mohr-Coulomb弹塑性模型及应变软化模型为基础,采用FLAC3D数值模拟软件,构建三维数值模型,计算深埋隧道围岩特征曲线及纵剖面变形曲线,并对隧道围岩及支护结构安全性进行评价。结果表明:采用弹塑性模型计算所得的隧道围岩安全系数低于应变软化模型所得的安全系数,表明采用弹塑性模型进行支护结构设计时,支护结构安全性较低,设计中可能会增加支护材料费用,而考虑应变软化条件下的围岩安全系数更加接近于工程实际;采用极限应变值或支护结构极限承载压力所获得的围岩—支护系统安全系数较为接近,说明两种方法的差异较小,均可用于隧道围岩支护结构优化设计,采用收敛—约束法计算隧道安全稳定性更加直观,对工程实际具有一定指导作用。     

大断面隧道软弱围岩-支护系统稳定性分析北大核心CSCD

采用室内试验研究手段获得隧道围岩力学特性,以Mohr-Coulomb弹塑性模型及应变软化模型为基础,采用FLAC3D数值模拟软件,构建三维数值模型,计算深埋隧道围岩特征曲线及纵剖面变形曲线,并对隧道围岩及支护结构安全性进行评价。结果表明:采用弹塑性模型计算所得的隧道围岩安全系数低于应变软化模型所得的安全系数,表明采用弹塑性模型进行支护结构设计时,支护结构安全性较低,设计中可能会增加支护材料费用,而考虑应变软化条件下的围岩安全系数更加接近于工程实际;采用极限应变值或支护结构极限承载压力所获得的围岩—支护系统安全系数较为接近,说明两种方法的差异较小,均可用于隧道围岩支护结构优化设计,采用收敛—约束法计算隧道安全稳定性更加直观,对工程实际具有一定指导作用。     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

强震作用下岩体破坏深度及对隧道围岩压力的影响

5·12地震后,震区岩体受到了不同程度的破坏,产生了大量松动岩体,对新建隧道围岩压力产生了较大的影响。为研究地震力对岩体的破坏深度以及震裂松散岩体对隧道围岩压力的影响,基于波动理论和摩尔库伦准则,分析了地震力对岩体破坏的极限深度,推导出解析公式,并通过波速测试结果对震裂松散岩体的松动深度进行了探讨,最后就松散岩体对隧道围岩压力的影响进行了理论分析。研究结果表明:1地震力对岩体破坏有一极限深度,隧道埋深越浅,岩体越易产生破坏;2岩体破坏极限深度与岩体力学参数及地震水平震动速度有关,汶川地震震区岩体的极限破坏深度最大达112m;3汶川地震震后,不同松动程度的岩体分别占破坏岩体深度的20%、30%和50%;4震裂松散岩体对围岩竖向松动压力有较大影响,主要原因为震裂松散体的存在,改变了震后岩体的深浅埋分界深度,在震后松散岩体中修建隧道应按等效埋深来确定深浅埋分界深度。     

含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性

以某隧道为背景,通过地质条件分析并结合FLAC3D数值模拟手段,采用对比含有厚层软弱夹层和不含软弱夹层的2个不同模型的方法,从地应力变化、塑性区开展、变形、下覆岩体受压和位移等角度分析了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性。发现对于含厚层软弱夹层和不含软弱夹层的这2个不同模型,地应力的差别较小,但都为不含节理的岩体的0.5倍或更小,因此认为节理是影响含厚层软弱夹层硬质围岩变性破坏的因素之一;而2个模型在塑性区开展、变形量、下覆岩体受压和位移等方面差别较大,因此认为厚层软弱夹层对硬质围岩的变形破坏起着显著作用。同时通过创建三维模型采用分步开挖的方法,模拟了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏过程,分析认为其具有隐蔽性和发生时间不确定性的特点。研究结果可为类似地质情况的隧道建设提供参考。     

基于重力加载比例法的岩质边坡稳定性分析

根据岩质边坡的稳定性主要由边坡内部的结构面所控制的特点,采用有限元重力加载比例法对含有一组平行节理面和含两组节理面的岩质边坡进行数值模拟,分析表明:与强度折减法相比,采用有限元重力加载比例法能更加快速地计算出岩质边坡的安全系数,节省计算耗时和人工干预的工作量,并能通过塑性应变的发展分析其破坏过程,确定潜在的滑动面。     

变质岩区强应变带工程地质特性及隧道围岩稳定性分析

变质岩区强应变带构造挤压变形明显,变质分异现象清晰,工程性质差。通过对鸡公寨隧道湖蓝坡强应变带进行调查、测试及取样试验分析,结果表明:强应变带对岩性有明显的改造作用,片状矿物含量增高,岩石强度下降,软化系数0.36~0.50,岩体完整性系数0.25~0.46,属较破碎~破碎程度,呈薄片~碎片状岩体结构;构造残余应力明显,实测侧压力系数λ为1.3~1.9,以水平应力为主导。隧道围岩稳定性差,计算的围岩变形量远超规范允许值,且构造应力影响下的变形量远大于正常自重应力工况,在隧道设计、施工时需采取针对性的控制变形措施。     

基于细观尺度的岩体开挖渐进破坏模拟研究

岩土渐进式地质灾害是当前岩土工程领域的重要研究课题。基于颗粒离散元法导出颗粒连接损伤模型,建立岩石细观离散模型,进行不同颗粒参数条件下的岩石单轴受压数值模拟。结果表明,岩石细观颗粒间相互黏结力是影响颗粒黏结破坏的主要因素;颗粒间摩擦系数是影响宏观强度的敏感参数,单轴受压试验形成接近45°剪切带,数值模拟与试验结果较好吻合,验证了该模型的合理性。建立岩体开挖细观离散模型,模拟不同地层条件下的开挖过程,对比分析了开挖未支护和支护情况下检测点的沉降差异。研究发现,未支护支撑下,深层开挖时,检测点的位移沉降较浅层开挖时明显;支护可以有效降低围岩变形,防止拉应力产生。本文从细观上揭示岩体开挖条件下渐进式破坏过程形成机制,为更深入研究岩土力学特性和滑动断裂的形成与发展等渐进破坏过程提供了理论和技术支撑。     

基于局部软化阶梯双折减法的土坡稳定性研究∗

强度折减法是边坡稳定性分析中广泛使用的数值计算方法,传统整体强度折减法对黏聚力和内摩擦角采用同一系数进行折减。由于两强度参数发挥作用先后以及衰减程度的不同,传统整体强度折减法不能真实的反映土体渐进破坏过程,一些学者提出运用双折减法来探究边坡的破坏问题。基于土体应变软化特性,通过土体的峰值与残余强度建立起黏聚力和内摩擦角之间的关系,将得到的强度参数关系式作为双参数折减组合的依据。该方法以破坏接近度作为判别土体是否破坏的标准,引入局部阶梯折减的思想,对局部破损区域(FAI＞0.8)采用不同的折减组合,研究均质土坡的渐进破坏过程。计算结果表明,局部软化阶梯双折减法可以体现两强度参数发挥作用的先后顺序,整理出两参数间的关系式为一次函数,自变量对应的参数先发挥,因变量对应的参数后发挥;在算例中,黏聚力的折减系数大于内摩擦角的折减系数,黏聚力的强度储备比内摩擦角大,发挥得较为充分;模拟计算出的破损区面积以及边界处的塑性应变差值更加连续、平稳;阶梯双折减方法得到的综合安全系数小于整体折减法的安全系数,在工程应用上偏于安全,与其他学者得出的结论一致;受网格密度的影响,综合安全系数的范围为 1.207~1.229,该范围可为工程设计和施工提供参考。     

地震条件下陡峭岩体崩塌式渐进破坏研究

基于离散单元法DEM,推导颗粒黏结-阻尼振动-运动演化方程,建立三维陡峭岩体模型,在地震横波与纵波条件下,进行岩体渐进式破坏演化动态过程模拟,在模型中实时跟踪9个监测点相关力学及运动参数,分析从稳定至滑动,再到碎石运动演化过程中参数变形情况。结果表明:细观颗粒间从黏结到损伤断裂再到运动的过程中,非线性运动特征差异化明显。水平向横波作用下,左侧岩体渐进式破坏严重,呈现出断裂-分离-接触碰撞-再分离的运动演化过程。不同振动强度下,岩体破损程度差异明显,振幅15以上岩体破坏严重。纵波单独作用下,岩体虽发生水平向裂纹,中部发生较大变形,但整体结构保持较好;模拟发现横波是岩体破坏的主要因素,纵波和横波叠加作用下两侧岩体破坏严重。     

顺层岩质高边坡的静力稳定性安全评价

工程边坡环境直接关系到工程的经济效益,顺层岩质高边坡的稳定性主要受软弱结构面的构造和力学性能的影响。采用基于强度折减法的边坡安全系数作为边坡稳定性的评价指标,使用FLAC3D软件对顺层岩质高边坡稳定性进行了非线性有限元分析,分别探讨了结构面倾角和剪切强度、边坡坡率以及边坡高度对其稳定性的影响规律,着重提出了顺层岩质高边坡的两种破坏模式以及滑移剪切破坏的机理;并采用层次分析法定性比较了边坡稳定性对各影响因素的敏感性。结果表明,结构面剪切强度对边坡稳定性影响的权重最大,结构面倾角次之,边坡坡率及边坡高度的影响相对较小。     

基于浅层地热能的寒区隧道排水沟-保温防冻可行性研究

寒区隧道冻害问题严重影响隧道的正常运营和结构安全。以西宁—成都高速铁路寒区特长隧道洞口排水沟的保温为背景,首先使用COMSOL有限元软件建立了寒区隧道水沟保温的二维分析模型,结合西宁气象数据分析洞口排水沟保温的供暖负荷;然后考虑将热交换管埋设在仰拱中利用浅层地热能,建立三维模型对隧道仰拱埋管换热器进行设计,并对埋管间距、进水温度、围岩导热系数等进行参数分析。研究结果表明,一定条件下,能源隧道可用于寒区隧道洞口排水沟的保温和防冻。     

浅覆地层盾构开挖面被动破坏极限支护力及破坏模式研究

浅覆地层盾构掘进时支护力过大极易导致开挖面前方土体发生被动破坏,造成地表隆起。基于筒仓理论,通过优化传统三维楔形体模型,建立楔形块+倒棱台的土体被动破坏三维计算模型(修正三维楔形体模型),并推导被动极限支护力计算公式;对不同埋深下滑动破裂角β分析研究;采用有限元分析软件MIDAS-GTS对盾构隧道开挖面的被动破坏进行模拟,揭示被动破坏支护力变化规律及破坏模式。结果表明:本文研究计算模型更符合开挖面土体被动破坏模式;通过对破裂角β分析,解析土体被动破坏时其最优解30°左右;在浅覆盾构开挖面中,揭示S/(γD)受土体内摩擦角φ、埋深比K的影响,文中S/(γD)随内摩擦角φ的增大呈非线性增加,埋深比K越大,其幅度越明显;破坏模式分析中,K越小,土体位移变形对S/(γD)越敏感,越容易发生开挖面被动破坏;发生被动破坏时,土体纵向位移变形大于横向位移变形。     

二维圆形截面浅埋硐室双层围岩塌落形态上限变分分析

考虑岩土体材料的非均质性,本文分析了圆形浅埋硐室顶部双层围岩塌落稳定性。在极限分析上限定理的基础上,构建圆形截面浅埋硐室双层围岩机动许可的速度场,根据Hoek-Brown非线性破坏准则及相关流动法则,推导了塌落极限状态下内能耗散功率以及外力做功功率计算式。根据虚功原理构造泛函,利用变分法求解泛函的极值,进而根据边界条件求得待定系数,并得到了塌落破坏曲面形状。参数分析表明,材料参数A和B以及容重γ的变化对破坏形状有显著影响,而单轴抗拉强度对破坏形状的影响较小。对比了极限分析有限元软件Optum G2的上限结果,两者破坏面吻合较好,由此可说明本文方法的有效性,可为浅埋隧道设计提供理论参考。