基于开挖损伤效应的岩体力学参数位移反分析

由于应力重分布和开挖扰动等因素,对于地下洞室开挖面附近的岩体,其力学特性会有一定程度的劣化,称之为岩体力学参数的开挖损伤效应、本文结合正交试验设计、粒子群优化算法、支持向量机模型等原理,建立了考虑开挖损伤效应的LSSVM-PSO反分析模型;以某水电站地下厂房为例,针对现场变形监测成果进行了位移反演分析,得到了损伤区范围...     

地下厂房围岩参数场位移反分析

提出地下厂房围岩参数场的概念,利用增量位移和遗传算法优化反演其值.针对地下厂房围岩特性,认为其力学参数不是均一的,而是一个由不同量值的参数组成的参数场.结合某水电站地下洞室工程中地下厂房的开挖,建立了模拟动态施工的有限元模型,对洞室附近的围岩弹性模量进行了反演计算.结果表明:所得增量位移与实测值符合较好,岩体力学参数分布符合实际规律.     

地下厂房工程卸荷开挖模拟研究

岩体开挖本身就是一个应力调整和不断卸荷的过程，随着开挖空间的加大和深度的加深，其卸荷量也相应地增加，使岩体产生较大的变形。采用有限元软件对地下厂房工程进行了开挖卸荷模拟，研究岩体在不同开挖时步下围岩的位移和不同开挖空间岩体的变形规律。结合硗碛水电站地下厂房工程开挖所安装的多点位移计监测到的不同开挖时步和开挖空间所对应的位移资料，通过分析比较，开挖卸荷数值模拟结果和实际监测到的资料具有良好的一致性。通过卸荷开挖模拟和实测数据对比分析可知，采用数值模拟计算得到的不同时步的围岩位移值，来实现对地下厂房工程围岩的稳定性进行评价和控制是可行的。     

泰安抽水蓄能水电站地下厂房围岩稳定性数值模拟及监测分析

应用快速三维拉格朗日差分法对泰安抽水蓄能水电站地下厂房进行了弹塑性数值模拟,准确的模拟了围岩的动态变化过程,对开挖前后围岩的位移场和应力场以及塑性区进行了比较分析。另外,还对该厂房围岩的变形监测资料进行了研究,得出在开挖和支护过程中围岩的变形特征和支护结构的受力特点;并将现场监测结果和位移计算结果进行比较,结果表明：模拟计算结果和监测结果规律基本一致,采用本计算方法模拟开挖大型地下洞室群具有较强的可行性,对今后的地下大型洞室群的稳定性分析具有参考意义。     

泰安抽水蓄能水电站地下厂房围岩稳定性数值模拟及监测分析

应用快速三维拉格朗日差分法对泰安抽水蓄能水电站地下厂房进行了弹塑性数值模拟,准确的模拟了围岩的动态变化过程,对开挖前后围岩的位移场和应力场以及塑性区进行了比较分析.另外,还对该厂房围岩的变形监测资料进行了研究,得出在开挖和支护过程中围岩的变形特征和支护结构的受力特点;并将现场监测结果和位移计算结果进行比较,结果表明:模拟计算结果和监测结果规律基本一致,采用本计算方法模拟开挖大型地下洞室群具有较强的可行性,对今后的地下大型洞室群的稳定性分析具有参考意义.     

瀑布沟地下厂房施工期变形与稳定的跟踪预报

应用基于弹粘塑性势理论的有限单元方法、人工智能方法以及加锚节理力学模型,建立基于位移监测资料的岩体力学参数反演系统,根据反演参数实现对地下洞室后续施工过程中围岩稳定性与变形的预报.应用该反演预报系统,动态跟踪预报瀑布沟地下洞室群在开挖、支护过程中围岩的稳定与变形情况,对洞室群的稳定性进行了评价.     

高地应力条件下大型地下洞室群施工期围岩稳定特征研究

地应力水平高、岩体强度低是锦屏一级水电站地下厂房的主要特征,地下厂房施工期的围岩稳定问题十分突出。结合工程地质力学方法和三维有限元手段,对锦屏一级地下厂房施工过程进行了数值模拟,研究了地下厂房施工期围岩的应力变形规律、稳定性特征及围岩稳定主要影响因素。计算结果表明：围岩的应力变形、稳定状态受到断层、洞室布置及开挖支护程序的影响明显。围岩的应力随着开挖的不断进行而增大,最大应力出现的部位也在不断变化。随着开挖的进行,围岩的变形不断在增大,尤其是边墙的变形。在洞室交叉及断层出露部位,围岩的变形较大,塑性区基本贯通,应加强支护。     

复杂地质条件下调压室三维有限元参数反分析

在地下洞室施工过程的3维有限元模拟过程中,数值计算结果受到地应力场及岩体力学参数的影响。在参数反演过程中,地应力场和岩体力学参数对洞室围岩应力变形的大小影响过程非常复杂,要同时反演这两方面参数比较困难,因此依托复杂地质条件下柳坪水电站调压室工程,采用3维非线性有限元分析,把地应力场岩体力学参数分两步进行反演,首先利用洞室围岩变形之间的规律对地应力场进行反分析,岩体力学参数选取参考范围的中值,在获得计算模型的地应力场数值及分布规律后,再对岩体力学参数进行反分析,反演得到岩体的力学参数,得出微新围岩、断层、弱风化带、强风化带变形模量分别为19、0.45、4.5、2.25 GPa,泊松比分别为0.21、0.35、0.25、0.30。反分析位移与监测位移对比表明,平均相对误差符合计算精度要求,可为类似工程的研究、分析提供参考。     

乌东德水电站地下厂房层状节理岩体稳定性研究

摘要：随着我国水电资源开发的推进,越来越多水电站修建于高山峡谷之中,受地形地貌的影响,大量水电站厂房布置于层状岩体之中,定量分析层状节理岩体地下厂房变形并评价其稳定性成为亟需解决的重要课题。本文结合现场监测及数值模拟结果,分析不同密度层状岩体对于地下厂房变形的影响。对多点位移计、声波测试、微震监测等多种监测结果进行整理和归纳,从多角度揭示围岩变形规律及内部损伤情况。另外基于厂区工程地质特性、地应力实测资料,利用通用离散元程序UDEC对7#机组典型剖面进行数值分析,得到地下厂房开挖后的应力场、塑性区、位移场分布规律,揭示围岩潜在破坏区域。数值模拟与微震监测结果共同表明：围岩第VI层（高程815.40~809.00 m）开挖时,上游边墙812 m高程位移增加最快,微震事件数量大幅增长。水平向应力卸荷程度大于竖向应力卸荷程度;整体上主厂房上游侧位移大于下游侧,最大变形出现在上游边墙812 m高程附近,此处围岩屈服深度最大,围岩屈服集中区域与变形场分布基本一致,上游层状节理比下游密集是造成上下游变形差异的主要原因。围岩变形与层状节理分布关系密切,开挖活动将引起围岩层状节理活化,岩体损伤,围岩整体强度降低。开挖强度越大,微震事件增加越快,变形越大。乌东德地下厂房变形机制的研究对其后续施工及其安全运营具有重要意义。     

基于TBA法的地下厂房围岩力学参数位移反分析

讨论了TBA反分析法的原理,结合某水电站地下洞室工程中地下厂房的开挖过程,建立了模拟动态施工的有限元模型,运用TBA法对地下厂房的围岩力学参数进行了反演计算,运用遗传算法进行了数值验证,有效地确定了岩体的弹性模量.结果表明,增量位移与实测值吻合较好.     

喷锚支护措施对地下厂房洞室群整体稳定性影响

喷锚支护措施由于其诸多的优点,在地下工程中得到了广泛的应用。以隐式杆单元模拟锚杆,以壳单元模拟混凝土喷层,采用3维非线性有限元技术,分析冗各水电站地下厂房工程中喷锚支护措施的作用。通过计算得到了喷锚支护措施对围岩应力变形及塑性区的影响;利用强度折减法对地下厂房洞室群的整体稳定性进行计算分析,得到无支护措施情况和喷锚支护时洞室整体稳定性,从而评价支护措施对洞室群整体稳定性的影响。通过3维弹塑性有限元计算分析得到:喷锚支护措施可以有效地限制围岩的变形和塑性区的发展,可以在一定程度上改善围岩应力状态,避免应力集中,使洞室群整体稳定安全系数由1.8提高为2.5,有效提高了地下洞室的整体稳定性。     

动态开挖模拟技术在水电站地下厂房的应用

利用ANSYS单元生死的模拟功能,实现了对某水电站地下厂房的动态施工开挖模拟,取得了一些合理的数值分析结果.模拟过程中着重分析了在自重作用下围岩产生的地层构造应力,以及在地层应力作用下围岩的位移状况.开挖完毕后,计算得出地下厂房围岩在外荷载作用下理论最大变形量达到12.5 mm,位于山顶处,在母线洞附近的平均变形为11.1 mm.分析结果可为地下厂房的设计施工以及运行提供有效的指导.     

高地震烈度区水电站地下厂房结构震损机理分析

中国水电站多位于西南高地震区.针对地下厂房结构的震损机理问题,以距汶川8.0级地震震中最近的映秀湾水电站和渔子溪水电站为分析对象,对水电站建筑物进行了震后实地调查,建立了映秀湾水电站洞周围岩和厂房结构的整体有限元模型,采用波动场应力法,对地下厂房结构在震时的结构稳定性进行了计算分析.根据实地调查结论和数值计算成果,对地下厂房结构的震损机理进行分析.实地震损调查表明,地下结构的震损形式多为表层脱落和闭合裂缝,破坏程度要明显轻于地面建筑.数值计算所反映的震损规律与实际调查中得到的结论基本吻合,则可从数值分析的角度进一步研究震损机理,认为产生震损的外因是沿一定角度入射的地震波,内因是地下厂房结构空间分布的不均匀性,而地下厂房结构赋存于洞周岩体则是地下结构震损与地面建筑具有本质区别的原因.     

断层位置及强度对地下洞室围岩稳定性影响

岩体工程的稳定性主要受岩体结构控制,而断层是岩体工程中最常见的一类规模较大的地质不连续面。断层的力学性质及其与洞室的相对位置关系决定了围岩的稳定状态,通过数值计算及三峡工程地下厂房变形监测分析表明：断层的存在严重恶化了围岩的应力及变形分布,不同断层位置、不同自然应力场条件下围岩的应力及变形特征存在着明显的差异;断层摩擦强度对断层位于顶拱部位时的围岩变形影响较大,而粘聚力对断层位于边墙部位时影响较大,而且这种影响规律随侧压系数的增大而增大。     

压力隧洞渗透稳定的参数敏感性分析

为了研究压力隧洞渗透稳定性与围岩变模、围岩渗透系数、地应力、衬砌类型及厚度等的关系,建立了压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合计算模型,拟定了不同围岩渗透系数、不同围岩变模、不同初始地应力、不同衬砌类型及厚度等组合的一系列工况,运用上述计算模型对压力隧洞内水外渗进行了计算.根据计算结果,以隧洞综合透水率和破坏内水压力为渗透稳定性指标,对围岩渗透性、围岩变模、地应力及侧压力系数、衬砌是否配筋、衬砌厚度等影响因素进行了参数敏感性分析,给出了各参数对压力隧洞综合透水率及破坏内水压力的影响程度.研究成果可为压力隧洞设计,尤其是衬砌型式选择提供参考依据.     

地下厂房岩锚梁接触面非线性有限元模拟方法

针对地下厂房岩锚梁与围岩接触问题,分别构建了模拟岩锚梁与围岩接触面非线性特征的有限元数学模型和力学模型。在Desai薄层单元基础上,推导了岩锚梁接触面单元有限元形式;结合非线性弹性理论和弹塑性理论,提出了岩锚梁接触面三维非线性力学模型,该力学模型能够模拟岩锚梁接触面弹性阶段的非线性现象和塑性阶段的损伤软化现象。针对岩锚梁接触面闭合、张开、剪切滑动等变形特征,提出了考虑接触面粘结、开裂、滑移现象的分段式抗滑安全系数。详细地论述了本文提出模型的有限元迭代方法,并据此编写了有限元程序。将本文模型应用于某地下厂房岩锚梁有限元分析计算中,应用效果良好。     

岩溶区地下厂房洞室群围岩渗流效应分析

岩溶渗流效应包括渗流场的力学效应和岩体软化效应。针对富水岩溶区地下工程的特殊赋存环境,提出了岩溶地下厂房3维渗流场力学效应耦合计算方法和基于强度折减原理的渗流软化效应分析方法。计算分析了不同工况、围岩不同软化程度下洞周变形破坏规律。提出地下洞群整体软化安全系数的确定方法,定量评价不同工况下地下厂房洞群围岩整体相对稳定状态,分析岩溶渗流软化效应对围岩稳定的影响。工程实例表明:考虑渗流场力学效应时,开挖完毕围岩变形都明显增大,变化规律与监测相符;对比无渗流场、考虑施工期渗流场和考虑运行期渗流场各工况的整体软化安全系数变化规律发现,渗流场软化效应显著;运行期正常蓄水后,地下水位的提高引致厂区渗流场调整,对围岩整体稳定存在明显影响。整体软化安全系数能够有效地反映渗流软化效应对岩溶地下厂房围岩稳定的影响,为岩溶区地下厂房工程优化设计、施工监测及安全运行评价提供有益参考。     

Elasto-plastic analysis of the surrounding rock mass in circular tunnel based on the generalized nonlinear unified strength theory

The present paper aims to establish a versatile strength theory suitable for elasto-plastic analysis of underground tunnel surrounding rock. In order to analyze the effects of intermediate principal stress and the rock properties on its deformation and failure of rock mass, the generalized nonlinear unified strength theory and elasto-plastic mechanics are used to deduce analytic solution of the radius and stress of tunnel plastic zone and the periphery displacement of tunnel under uniform ground stress field. The results show that: intermediate principal stress coefficient b has significant effect on the plastic range,the magnitude of stress and surrounding rock pressure. Then, the results are compared with the unified strength criterion solution and Mohr–Coulomb criterion solution, and concluded that the generalized nonlinear unified strength criterion is more applicable to elasto-plastic analysis of underground tunnel surrounding rock.     

松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应分析

依托江西萍莲高速莲花隧道,建立考虑松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应的隧道开挖三维有限元计算模型,实现不同管棚注浆加固参数对隧道开挖稳定性影响的定量分析,在数值计算过程中研究注浆加固区力学参数(弹性模量、黏聚力)、管棚间距、注浆半径等因素对隧道稳定性的影响,并将研究成果应用于依托工程中,验证数值计算结果的正确性。研究结果表明:在隧道进洞段,隧道拱顶区域与掌子面前下方区域存在塑性区,上述2个区域为隧道进洞开挖过程中最易失稳的区域;管棚注浆加固可有效限制围岩变形,降低围岩体积应变,且管棚注浆加固区可有效隔离拱顶区域的围岩塑性区,有利于保证隧道拱顶安全;在整个管棚注浆加固长度内,管棚最大沉降量出现在隧道开挖掌子面附近;管棚最大沉降量的绝对值与注浆加固区弹性模量及注浆半径负相关,而与管棚间距正相关,但管棚间距对管棚最大沉降量的影响程度相比其他2个因素小。