块体理论及其在洞室围岩稳定分析中的应用

由于工程需要,常常在岩体中开挖各种洞室,这些原处于不连续状态的由空间断裂块体组成的天然岩体伴随着岩体洞室的开挖,相应产生整体或部分块体的移动,出现不稳定甚至破坏效应.而文章所提及的块体理论是近几十年来发展和完善起来的用于解决非连续块状岩体岩石工程的重要方法之一,得到了广泛的运用和验证.文章通过简单算例分析快体理论应用于实际的原理和运算过程,并同时利用UNWEDGE程序计算进行比较、分析,寻找出不稳定块体,给工程实践提供参考,以保证工程安全性.     

块体理论在水电站洞室围岩稳定分析中的应用

在水电站地下厂房的施工过程中,由于岩体天然应力状态遭到破坏,伴随着地下洞室的开挖,相应的产生整体或部分块体移动,出现不稳甚至破坏效应,给施工带来严重的威胁.直接影响施工的进度和安全;至上世纪八十年代,石根华博士正式提出关键块体理论以来,随着研究的深入,该理论已被广泛的应用于实践之中.文章以大岗山水电站地下厂房为实例,通过对主厂房地质素描图的节理进行统计分析,搜索出随机块体进而分析其是否为关键块体并利用块体理论的矢量解析判别法对其进行稳定性评价,进而为施工支护提供依据,为地下洞室的块体稳定性分析提供了一种准确快捷的途径.     

在地应力场分析的基础上探讨地下洞室长轴向选取和围岩稳定性

结合工程实际深入研究了工程区域的初始地应力场。在地应力场分析的基础上探讨地下洞室(两级地下泵站厂房)长轴向选取。研究地应力、洞室开挖和加固等因素对地下洞室围岩稳定的影响,以验证地下洞室长轴选向的正确性。     

块体理论在隧道围岩稳定分析中的应用

根据块体理论的矢量运算方法,将隧道围岩稳定性问题转化为寻找和分析关键块体的问题,并以某公路隧道为例将其应用到工程实践中,通过几何分析和结构面的物理力学性质,确定了失稳的块体,指出可采用锚杆加固的措施。     

大型地下洞室围岩稳定性的岩体结构控制效应研究

大型地下洞室围岩稳定性问题突出表现为大跨度、高边墙的巨大开挖面与岩体结构面组合而产生的围岩块体稳定性问题以及岩体结构对围岩变形破坏的控制和变形量预测问题.本文以三峡水电工程地下厂房为实例,通过大量的现场调查和实验及模拟分析,开展了大型地下洞室围岩稳定性评价中的岩体结构控制效应研究,重点是岩体结构对岩体质量及其宏观力学特性的控制效应.研究中以结构面网络模拟的结果为基础,以模糊信息优化技术、拉格朗日有限差分法、分形几何、损伤力学等技术、方法、理论为手段,初步解决了大型地下洞室的不同具体工程部位岩体质量及其岩体宏观力学参数的评价问题,为工程实践中这类问题的解决探索了一条新途径.论文主要内容包括以下几个方面:博士学位论文(1) 应用系统工程层次性理论,确定地下厂房区岩体结构面的分类原则和描述体系,通过对厂房区岩体结构面的系统调查、分类、统计研究,建立厂房区岩体结构面的确定性层次模型和统计模型.(2) 系统研究厂房区宏观贯通性结构面的工程地质特性及其工程控制效应,确定地下厂房中由控制性结构面和开挖面组合所产生的大型几何可移动块体的空间分布、规模、稳定状态及因素敏感性.(3) 通过对短小、断续性结构面统计特征的研究,将地下厂房区划分为5个岩体结构统计均质区,应用结构面网络模拟技术,研究各个岩体结构均质区结构面的发育分布特征,并以此作为岩体质量及其宏观力学特性研究的基础.(4) 在结构面网络模拟计算结果的基础上,应用模糊信息优化技术研究了厂房区各个岩体结构分区的岩体质量并与岩体基本质量指标[BQ]研究法、岩体质量指标RQD值研究法作了对比,结果表明以结构面网络模拟结果为基础,应用模糊信息优化技术进行岩体质量评价能够取得很好的效果.(5) 通过对已有的现场大型岩体变形试验结果的分析及相应试验点岩体结构分形特征的研究,建立了结构面分布的分形维数和岩体变形指标间的相关关系,并应用这种相关关系根据结构面网络模拟及分形维数计算结果确定缺少试验结果的地下厂房各具体工程部位的岩体变形指标而且应用于围岩稳定性计算.(6) 通过应用拉格朗日差分法对岩体强度指标的数值分析并与按连通率加权平均计算法及现场实验结果对比表明:模拟岩体力学实验与现场实验相结合可以简便易行地达到评价复杂岩体不同具体工程部位岩体强度参数的目的;按连通率加权平均计算法在考虑合理的折减系数情况下,可以简单快速地对缺少现场大型试验结果的具体工程部位实现岩体强度指标的估计.在此基础上研究了地下厂房各个岩体结构分区的围岩强度参数并应用于稳定性计算.(7) 通过结构面网络分形维数的研究,应用分形损伤耦合分析方法,研究了厂房区岩体的损伤特征,并引入"损伤度”的概念,建立了基于岩体损伤特征的岩体质量评价指标体系.(8) 分别应用二维及三维有限元数值模拟技术,研究了主厂房开挖后围岩二次应力场重分布的规律及岩体的变形破坏特征,从而对厂房开挖后围岩稳定性状况得出了明晰的认识.     

低地应力区地下洞室围岩变形破坏有限元数值模拟研究

低地应力状态对相关工程岩体变形破坏和稳定性有重要影响,以西安市黑河水利地下工程泄洪洞为例,采用弹塑性二维有限元法通过对低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏进行了数值模拟研究。模拟结果表明:低地应力区洞室围岩变形破坏主要发生在垂直方向,水平方向的规模和程度均不及前者,同时总结分析了低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏规律及其特征。该项研究工作将有利于进一步研究低地应力区地下洞室围岩变形破坏机理与稳定性,它对保障地下洞室工程的顺利进行起到积极促进作用,具有重要的理论研究价值和现实意义。     

地下洞室群施工方案优化及围岩稳定性分析

首先介绍了动态施工力学的基本概念和原理,在此基础上简单介绍了运用动态规划优化地下洞室群施工方案,随后运用具体实例分析,发现优化施工顺序能够有效提高围岩稳定效果,这对地下洞室群施工具有重要的参考价值。     

地应力对地下洞室开挖的塑性区影响研究

结合河南宝泉抽水蓄能电站地下洞室开挖过程的三维非线性分析，讨论了地应力场中侧压力系数对围岩塑性区分布的影响。其中，岩体材料为理想塑性，屈服准则采用Druc ker-Prager准则，从理论上推导了地应力中侧压力系数和材料参数与围岩塑性区之间的关系，主要是对洞室中典型的马蹄形洞室的3个最易出现塑性的区域进行了研究，得出了它们的塑性区分布规律与侧压力系数的关系。在河南宝泉抽水蓄能电站洞室开挖过程的三维非线性分析中，验证了这个规律。这些规律和认识可作为工程设计的参考和导则。     

洞室围岩薄弱区三维数值模拟研究

洞室围岩破坏通常是从局部开始的，首先破坏的部位就是围岩的薄弱部位或关键部位。对薄弱部位及时加固将收到事半功倍的效果。围岩软弱层带和围岩应力集中是形成薄弱区的两种基本原因。围岩的薄弱部位既具有一定的规律性，又可因岩体结构特征、初始地应力场、洞室形态和洞轴线展布方向、开挖方式的不同而有所区别。对泰安抽水蓄能电站地下洞群围岩稳定性进行了三维有限元数值模拟研究，结果表明：围岩最薄弱部位有时可能在距洞端一定距离上：围岩稳定性分析中选择洞室中部垂直洞轴线剖面作为典型剖面进行稳定性分析，由此而获得的计算结果有时可能偏于不安全。对于复杂的大型地下洞室群，应采用三维数值分析方法进行模拟才能找出潜在的围岩薄弱区。     

官地电站高应力大跨度洞室群围岩稳定性评价

官地电站厂房地处高山峡谷段、高地应力区、高地震烈度区等,地质条件复杂。在基本工程地质条件和结构面统计分析的基础上,确定洞室群开挖后可能出现的块体并评价其稳定性。高地应力环境下的大跨度地下洞室群的稳定性分析研究评价较为复杂,应根据地应力、地质体等采取不同的分析评价方法。官地电站运用多种方法进行岩体质量分析,运用地质分析法和数值模拟法综合确定研究区的地应力场分布规律,运用有限元法研究地下洞室群的开挖效应及群洞效应,最后进行大型地下洞室群围岩稳定性评价,做到即有宏观指导又有具体稳定性研究,确保了围岩的稳定。     

基于块体和松动压力理论的隧洞围岩稳定性分析

岩体中开挖隧洞的围岩失稳形式较多,尤其在埋深浅、应力低、结构面发育的地质区域经常出现顶部垮塌和边墙滑动失稳现象。笔者以某导流隧洞为工程背景,基于块体理论,运用Unwedge程序以不同隧洞走向和不同开挖断面形式条件下搜索出的关键块体重量和安全系数为研究目标,通过对比优选出适合本区域内导流洞围岩稳定的理论轴线走向和断面形式,为设计单位提供理论支撑。同时,对主次节理高度发育、围岩破碎严重、不适于用Unwedge程序进行计算的区域应用松动压力理论对围岩稳定进行计算并给出支护建议。     

青岛龙山地下商场围岩稳定性评价及锚喷支护设计

根据岩体结构和岩石力学性质对围岩稳定状态所起重要作用 ,采用定量与定性相结合的多因素多指标的综合分类法 ,进行围岩地质构造、毛硐稳定情况调查、现场声波测试、点荷载试验、室内岩石单轴抗压强度试验等 ,考虑硐室的跨度、埋深等特征 ,经过综合分析 ,确定围岩类别 ,科学评价硐室围岩稳定性 ,以此作为确定岩体开挖和围岩加固支护方案、计算相应参数的依据     

地下厂房围岩块体稳定分析及支护优化研究

目前支护优化分析大多数采用有限元进行计算,但有限元将围岩视为均匀介质,其计算结果很难符合以围岩等级为标准的支护设计要求.本文基于块体理论的支护优化分析,充分考虑了围岩中断层、岩脉和节理相对位置,通过块体分析软件(Unwedge)综合评价定位、半定位和随机块体的几何特征、滑动机理和稳定性状.进一步比较了不同支护方案的支护...     

两河口地下厂房轴线方位选择与围岩稳定分析

两河口水电站地下厂房地质条件复杂,属于高地应力区,加之受进、出水口布置的限制,其洞轴线选择是一个难点。笔者采用三维非线性有限元方法,对两河口地下厂房N3°E和N7°W两个轴线方案展开平行分析。模拟加固措施和实际开挖过程,对两个方案的地下厂房洞室群围岩应力应变特征和稳定性进行分析评价。分析表明:与N7°W轴线方案相比,N3°E轴线方案较好的规避了地应力释放,可以显著限制变形和塑性区发展,建议采用N3°E方案。     

基于多层次灰色理论围岩稳定性评价研究

围岩稳定性评价是一个复杂的系统工程,主要是影响稳定性的指标多,信息不明确以及难以建立一套科学的评价方法等。根据大量调查研究,甄选了影响围岩稳定性的4个一级指标,17个二级指标,运用层次分析法(AHP)确定指标权重,同时,以灰色理论(Grey Theory)为基础,对指标进行赋值、量化,计算相互关联性,确定了围岩稳定性白色权函数的评价灰类,建立了多层次灰色理论围岩稳定性评价模型,有效地解决了小样本,信息不确切等问题。最后通过对围岩的实地监测,证明该评价模型科学、有效、真实可靠,为围岩稳定性评价和生产提供了参考价值和安全保障。     

水电站地下厂房安装间的块体稳定性分析

基于地质勘查资料,首先运用赤平极射投影方法定性评价了某水电站地下厂房安装间的稳定性,表明其边墙、端墙和顶拱存在局部失稳问题;然后利用块体理论,将块体分为定位块体、半定位块体与随机块体,仅考虑由三组结构面与开挖面形成的楔形块体,对安装间中存在的三大类块体进行了定量统计,统计结果表明安装间顶拱部位可能发育很大的定位块体、半定位块体和随机块体,且均从顶拱直接坠落,所有安全系数小于2的半定位块体和随机块体均分布在顶拱。     

基于损伤理论的圆形隧洞围岩应力场分析

基于统一强度理论,考虑地下水渗流作用的影响,应用弹塑性损伤力学理论,根据不同的地应力情况,对施工工况下的圆形隧洞围岩进行应力和稳定性分析;通过算例分析了内摩擦角和粘聚力对围岩应力场和位移场的影响。研究结果表明:内摩擦角对围岩损伤半径、应力、位移有着比较显著的影响;粘聚力对围岩损伤半径、应力、位移的影响不太显著;所得结论具有广泛的适用性。     

软弱夹层对隧道围岩稳定性影响规律研究

宜巴高速公路石门垭隧道具有地质条件复杂、围岩软硬交替、高地应力等特点,施工过程中常发生围岩层状剥落、侧墙滑塌等现象,严重威胁隧道施工安全。为确保施工安全,有必要采取一些措施为实际施工提供技术指导,采用FLAC^3D有限差分法分析软件,模拟分析了隧道含不同倾角及位置的软弱夹层时围岩的稳定性,通过分析围岩位移场、塑性区及应力场的分布特征,得出了软弱夹层倾角及位置对隧道围岩变形、破坏区及应力分布的影响规律。所得结论可为同类隧道的设计、施工和研究提供借鉴和参考。     

海岛地下水封洞库围岩稳定性及水封可靠性研究

为提高我国的石油储备量及海岛资源利用率,在海岛环境建造地下水封油库成为了一种新的思路。海岛环境相比于内陆具有更好的水力条件,且可作为港口,便于油品运输。以某海岛地下水封油库为依托,基于流固耦合理论,采用有限元数值模拟方法对海岛环境建造地下水封洞库的围岩稳定性和水封可靠性进行研究。结果表明:在海岛环境建造地下水封洞库围岩的应力和位移均较小,可以满足围岩稳定性要求;在不设置水幕系统情况下,开挖地下洞库会在洞库上方形成明显的降落漏斗,部分洞库顶部甚至发生疏干现象,无法满足水封可靠性要求;在设置水幕系统后,地下洞库上方可形成较大厚度的地下水覆盖层,可以满足水封可靠性要求。该成果对在海岛环境下建造地下水封洞库的研究具有借鉴意义。