衬砌压力隧洞的弹塑性分析

基于岩体应变非线性软化本构模型,考虑中间主应力的影响,对衬砌圆形压力隧洞在等压荷载下进行弹塑性分析,对弹塑性边界位置在衬砌范围内和围岩范围内分别进行了讨论,指出根据弹塑性边界位置的不同应采用不同的计算公式,并得到了由隧洞开挖卸荷引起的、围岩开始屈服时的极限压力以及内压力作用下分别使衬砌、围岩开始屈服时的极限压力。     

环向约束条件下破裂岩体力学特性试验研究

深部地下工程围岩多为破裂岩体，与支护结构间存在相互作用，破裂岩体的力学性能对工程稳定起着极其重要作用．采用环向约束试验方法研究破裂岩体的承载和变形特性．结果表明：破裂岩体的轴向应力-应变曲线是-分段连续曲线，峰谷后表现出等效弹塑性特性，随环向约束力的逐步提高，破裂岩体轴向应力呈现应力强化趋势，可达到并稳定在一个较高的应力状态，而环向约束应力则随侧向应变的增加呈线性增加，直至屈服．因此，环向约束条件下破裂岩体的力学特性明显不同于岩石三轴试验残余段的剪切滑移特性，反映了破裂岩体在有效环向约束条件下具有良好的结构效应．     

兰州南山伏龙坪双层隧道施工方案比选与研究

采用二维弹塑性有限元法,分析了在两种施工方案下伏龙坪双层隧道各个施工阶段围岩和衬砌的受力状态,考虑材料的非线性特征,采用Mohr-Coulomb屈服准则及其关联流动法则,采用切线刚度迭代法求解平衡方程,对超过屈服点的应力进行应力调整.     

水工隧洞检修期衬砌与围岩联合承载作用机理

衬砌与围岩是水工隧洞的主要组成部分,外水压力是其承担的主要荷载之一.结合某水电站工程实例,建立其发电引水隧洞的有限元数值分析模型,针对衬砌与围岩有条件联合承载作用特征,对衬砌外围岩变形模量进行折减以反映围岩的作用,并引入具有一定抗拉强度的薄层单元量化反映衬砌与围岩有条件联合承载能力.结果表明:与衬砌完全单独承载外水压力计算结果相比,围岩在承担外水压力中的作用不容忽视,且随着外围岩体变形模量的增加,其所分担的外水压力越大;采用薄层单元量化后,衬砌与围岩的联合承载机理更为明确,薄层单元开裂前,围岩承担外水压力较多,薄层单元开裂后,衬砌承担外水压力较多,因而要确保回填灌浆和固结灌浆质量,以提高衬砌与围岩联合承载能力.     

基于三维损伤流变理论下某调压井群围岩时效稳定性研究

拟建的某水电站调压井区域围岩岩性为石英云母片岩,勘探及室内试验发现其岩体属于片理构造发育明显的软岩,具有较典型的横观各向同性流变特征。由于区域地应力水平较高,工程施工期及运行期围岩流变现象可能显著影响岩体稳定性及衬砌结构特性。本文在全面反映区域地质构造、调压井结构形式及地应力场的基础上,建立了三维数值计算模型,同时考虑施工时序及支护衬砌措施,应用根据室内试验及现场监测资料建立的横观各向同性岩体粘弹塑性损伤本构模型,采用FLAC3D软件研究了调压井群施工期和运行期围岩稳定性及衬砌结构安全性。结果表明：施工开挖过程中围岩在流变效应的显著影响下,其变形量随时间有所增加,及时喷锚支护对围岩变形的限制作用显著,开挖完成后500d后围岩位移趋于收敛;开挖完成后围岩整体处于受压状态,施作二次衬砌有利于围岩应力场均匀化重新分布;运行期调压井衬砌变形量值增长速率随时间逐渐减小,其中2年内变形量约占长期（50年）变形量的54%,调压井围岩及衬砌结构运行1年后应力水平基本趋于稳定,运行期内调压井围岩应力水平变化幅度很小。     

双层隧道内力分析

根据弹塑性理论，采用四节点、四边形等参数单元和理想弹塑性德鲁克－普拉格弹塑性材料模型，对双层隧道进行了平面应变有限元分析，自编了考虑初应力分阶段释放、模拟具体施工过程的计算处理软件，运用该软件，计算得到了衬砌与围岩共同工作时的变形情况，应力分布和塑性区分布的状况，并最终给出了衬砌的各个横截的设计内力值。     

广义Hoek Brown破坏准则平面应变问题的滑移线场理论

根据弹塑性力学平面应变问题的特点,推导广义Hoek-Brown破坏准则平面应变问题应力分量的双参数表达式。代入静力平衡微分方程,得到双曲型一阶拟线性偏微分方程组。运用行列式方法,在适当的变量代换后,获得应力偏微分方程组的特征方向和特征上的微分关系。特征方向表明塑性区中的共轭斜交剪切滑移面形成两族非正交滑移线,其共轭角随极限应力状态和Hoek—Brown岩体材料物性参数而变化。由于对称初始应力场条件下圆形硐室理想弹塑性围岩塑性区内最大主应力方向为环向,而滑移线切线方向与最大主应力方向的夹角是最小主应力（径向应力）的函数,结合圆形硐室理想弹塑性围岩的应力分布的分析解,获得滑移线的极坐标曲线所满足的微分方程,进而得到其极坐标曲线方程。     

有压引水隧洞内水外渗作用研究

基于Biot固结理论,对统一域混合模型进行改进,考虑了结构面的法向渗透特性,对高压内水外渗进行了渗流场-应力场耦合计算,以衬砌上钢筋应力变化为代表,反映内水外渗耦合计算分析下的结构应力状态的变化.并以衬砌上的微裂缝宽度、围岩渗透系数、岩体结构面的产状为影响因素,以衬砌外沿最大孔隙水压为系统特性,进行了敏感性研究.结果表明,高压内水外渗耦合计算分析步中钢筋拉应力变小;衬砌微裂缝的宽度是影响衬砌外沿最大孔隙水压的主要因素,围岩渗透系数为次要因素,结构面的产状对其影响最小,但是对孔隙水压的分布影响较大.     

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.     

溪洛渡水电站尾水洞结构应力有限元分析

针对溪洛渡工程尾水洞的典型断面,利用平面有限元方法,计算分析施工期围岩开挖稳定问题,以及开挖、回填灌浆、调压涌浪作用下和施工渡汛期等工况下围岩、衬砌的应力分布情况.计算结果表明,在调压涌浪作用下,衬砌受到最大的拉应力作用,是控制性工况;隧洞底部转角处拉应力集中,建议进行局部修圆处理.     

隧洞支护效应的探讨

基于弹性理论,对隧洞开挖后和进行喷锚支护后的应力和塑性变形进行分析。运用FLAC 3D模拟了隧道开挖与支护过程中的力学行为,得到隧道在无支护和喷锚支护作用下围岩的塑性及应力变形情况。结果表明,在喷锚支护中,对锚杆施加预应力,其值为当隧道塑性区消失时所需支护力的大小。这种支护提高了围岩的自承能力,使围岩塑性区的扩展在隧道开挖不久就得到有效抑制,能有制止隧道围岩的进一步破坏。     

噪声对相干衍射成像重构物体图像的影响

为探究噪声对物体图像重构的影响,在模拟的衍射图中加入泊松噪声和高斯噪声。改变信噪比,分析了扩展叠层扫描迭代算法迭代50次的图像重构结果。发现信噪比低于6时无法重构物体图像,信噪比为18时,可以恢复透射率为50%的物体图像。信噪比为22时,可以恢复透射率为10%的物体图像。结果表明噪声对透射率低的物体图像影响更大。信噪比大于22时噪声对不同透射率物体图像的重构均不再有影响。此研究为相干衍射成像算法的实际应用提供了理论指导。     

Rules of distribution in a plastic zone of rocks surrounding a roadway affected by tectonic stress

In order to study the rules of distribution in a plastic zone of rocks, surrounding a roadway, affected by tectonic stress, we first analyzed the mechanics of a roadway affected by tectonic stress and derived a theoretical formula for the plastic zone of rocks surrounding a roadway. We also analyzed the distribution characteristics of the plastic zone under different levels of tectonic stress, vertical pressure, cohesion and friction angle of the surrounding rock. Secondly, we used numerical simulation to analyze the range and shape features of the plastic zone of rocks surrounding the roadway, given different tectonic stress levels. Finally we used a rock drilling detector to carry out field measurements on the broken state of rock surrounding the roadway at the -700 substation and channels in the Xinzhuang mine of the Shenhuo mining area. Given the measured ground stress, we analyzed the relationship between tectonic stress and the distribution of this plastic zone. Our results show that the range of the plastic zone at the top and bottom of the roadway increases with an increase in tectonic stress and this increase is especially obvious at the roadway comer.     

隧道围岩-喷射混凝土界面应力解析

根据喷射混凝土支护隧道围岩的界面力学特点,考虑喷层与围岩结合界面受力和变形协调关系,并结合围岩承载拱效应,建立了围岩一喷层结构的复合曲梁共同承载模型,然后通过各微单元静力平衡推导复合曲梁的径向位移的控制微分方程,得到任意分布荷载作用下喷层与围岩界面应力以及喷层与围岩各自内力的解析式,可迅速获取喷层与围岩结合界面的力学状况,进而判断围岩稳定性与预测安全性,为隧道施工决策提供技术支撑。最后经隧道台阶法开挖的算例研究表明,喷层支护通过其与围岩的结合界面上传递应力使围岩内部形成压应力带,有利于围岩的稳定。     

地下水工隧洞围岩及钢筋混凝土岔管结构数值分析

随着高山峡谷地区大型水电工程的兴建,深埋地下水工隧洞的围岩稳定和内外水压力作用下衬砌应力变形等成为重点关注问题。从围岩开挖支护、围岩衬砌相互作用和钢筋混凝土有限元模拟等方面建立钢筋混凝土岔管段数值分析模型,以蒲石河抽水蓄能电站尾水岔管为例,分析了围岩的应力、变形问题以及混凝土岔管结构配筋和配筋后应力、裂缝开展等问题。围岩分析计算结果表明：在主、岔洞交叉处会产生拉应力,塑性区开展较深,同时主洞靠近岔洞侧和尾水支洞的两侧岩体塑性区也有较大的开展。岔管结构分析计算结果表明：正常运行工况在内水压力作用下岔管结构大部分区域存在拉应力,裂缝较大;检修工况在外水压力作用下仅在主、岔管交叉处存在拉应力区,裂缝较小。     

Zonal disintegration phenomenon in enclosing rock mass surrounding deep tunnels -- Elasto-plastic analysis of stress field of enclosing rock mass

The zonal disintegration phenomenon (ZDP) is a typical phenomenon in deep block rock masses. In order to investigate the mechanism of ZDP, an improved non-linear Hock-Brown strength criterion and a bi-linear constitutive model of rock mass were used to analyze the elasto-plastic stress field of the enclosing rock mass around a deep round tunnel. The radius of the plastic region and stress of the enclosing rock mass were obtained by introducing dimensionless parameters of radial distance. The results show that tunneling in deep rock mass causes a maximum stress zone to appear in the vicinity of the boundary of the elastic and the plas-tic zone in the surrounding rock mass. Under the compression of a large tangential force and a small radial force, the rock mass in the maximum stress zone was in an approximate uniaxial loading state, which could lead to a split failure in the rock mass.     

Research on the “three shells” cooperative support technology of large-section chambers in deep mines

The "three shells" cooperative support technology was proposed herein according to both the large deformation of the rock surrounding large-section chambers in deep mines and the precarious stability of the support structures therein. The development range of the plastic zone in the surrounding rock was controlled by a stress shell to reduce the difficulty of controlling the surrounding rock. Additionally, the residual strength of the rock mass in the plastic zone and the self-bearing capacity of the surrounding rock were improved by a reinforced load-bearing shell. Furthermore, a passive load-bearing shell could restore the triaxial stress state of the surrounding rock on the free surface, reduce the influence of the external environment on the surrounding rock, and reinforce the surrounding rock with the strength of the shell. Reasonable layouts of large-section chambers were determined by analyzing the control effect of the stress shell on the surrounding rock under three kinds of in situ stress fields. The orthogonal test method was applied to reveal the influences of different support parameters in the reinforced loadbearing shell and passive load-bearing shell on the surrounding rock stability. The surrounding rock control effect of the "three shells" collaborative support technology was analyzed through numerical simulation and field monitoring. The results show that the maximum displacement between the roof and floor of the coal preparation chamber in the Xinjulong coal mine was approximately 48 mm, and the maximum displacement between its two sides was approximately 65 mm, indicating that the technology proposed herein could meet the long-term control requirements of the surrounding rock stability for large-section chambers in deep mines.     

大跨度斜拉桥索塔锚固区应力分析

斜拉桥拉索锚固区是索塔受力的关键部位,在斜拉索大吨位拉力及预应力共同作用下,受力十分复杂,保证其结构安全、受力合理是斜拉桥建造过程中的关键问题.运用实体有限元方法对某斜拉桥索塔锚固区进行空间应力分析,对比分析了3种不同工况下锚固区的受力特点及应力分布规律.分析结果表明,采用环向井字形的水平预应力束配置形式是合理的;在1 265 MPa的张拉控制应力下,各铜束应力都已经相当接近1 116 MPa,说明了预应力钢束的强度已经充分发挥,不宜再提高张拉控制力.     

开挖中的围岩破裂性质与支护对象研究

为了保证地下工程的稳定和安全，研究地下工程的围岩状态和支护对象很有意义．在现场实测、物理和数值模拟的基础上，提出深埋地下工程的围岩中普遍存在破裂状态，并认为这一破裂状态区域具有许多特殊的性质和规律，是一个反映地应力和岩体强度对地下工程稳定性作用的综合指标．破裂区发展产生的碎胀变形或碎胀力是地下工程支护的对象或载荷来源．     

高地应力地区围岩劈裂破坏现场监测和能量耗散模型及应用

随着计算机的发展,数值模拟等技术在岩土领域的应用也越来越广泛。在进行埋深较大的地下洞室施工时,由于岩体的脆性特征,在高地应力作用下,洞室围岩容易出现劈裂破坏。因此,在深部岩体开挖过程中,对于围岩的劈裂破坏区域的预测格外重要。但是目前在现有的计算模型中,尚没有能够很好描述劈裂破坏特性的有限差分本构模型。本文从能量耗散原理出发,结合了横观各向同性模型,采用劈裂破坏准则对模型单元应力状态进行判断,利用FLACE3D的二次开发功能,在C++的编译环境下对模型进行如下改进,在原有模型中导入能量耗散理论和加卸载判据,得到新的自定义横观各向同性计算模型。该模型可以判断岩体所处的加卸载状态,并根据岩石状态使用不同的力学参数进行计算,并且还能够描述高地应力地区围岩产生竖向劈裂裂纹后,不同方向上围岩的不同力学性质。在此基础上对大岗山水电站大型地下洞室群开挖过程中的稳定性进行了计算。另一方面,在大岗山水电站大型地下洞室群开挖工程现场开展了洞周围岩劈裂破坏区的监测,采用钻孔电视、滑动测微计以及形变电阻率三种观测方法,测得了主厂房在进行各个开挖步开挖时,主厂房与主变室之间岩桥中围岩的位移以及劈裂破坏的情况。之后,将现场监测结果与不同本构模型的稳定性分析的计算结果进行对比。并得到以下结论：根据监测结果,大岗山水电站地下洞室群在进行开挖时,主厂房下游边墙围岩的劈裂区平均深度约为13~15m,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算所得主厂房下游边墙劈裂区平均深度约为13.6m,二者十分接近;主厂房洞室在进行开挖施工后,随着与临空面的距离增加,围岩内部关键点的位移逐渐减小,在靠近主变室边墙附近,由于又形成了新的劈裂破坏区,因此围岩关键点位移又逐渐增加,考虑能量耗散的横观各向同性模型可以较好的反应围岩位移变化趋势,与监测曲线吻合度较高,而使用摩尔库伦模型以及横观各向同性模型计算得到的曲线则与监测曲线有较大区别;根据稳定性分析结果,主厂房下游边墙吊车梁位置关键点和主厂房洞中关键点开挖后洞壁出现的位移较大,其最大水平位移为29.46mm。主厂房拱顶在开挖的初期位移较大,拱顶竖直位移最大值为10.58mm。主变室拱顶竖直位移为10.06mm。结果表明,对比其他现有的有限差分模型,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算结果与实际监测值最接近,可以反应不同开挖步时,围岩内部关键点位移的变化趋势。因此在高地应力地区地下洞室开挖时,可以使用该模型对洞周围岩的劈裂区进行计算与预测,以及在洞室开挖完成后对洞室围岩的稳定性进行分析,并参考计算结果对关键区域加强监测与管理,从而减小围岩劈裂破坏对洞室稳定性的影响。