渗流对高崖头隧道围岩稳定性影响的数值模拟研究

隧道开挖过程中,地下水渗流作用对围岩的稳定性存在较大影响。针对洛阳至栾川高速公路高崖头隧道的具体情况,采取有限差分软件FLAC3D,建立三维模型,研究了考虑渗流作用和不考虑渗流作用情况下围岩的位移值,并与现场监测值进行对比验证,进而利用数值模拟的结果分析了隧道围岩的稳定性。研究结果表明:在考虑渗流作用下拱顶下沉和周边位移均大于不考虑渗流作用的情况,与现场监测值更为接近,隧道围岩处于稳定状态,研究结果对施工实践有一定的指导作用。     

考虑渗透作用的复杂地质下地下洞室围岩稳定性分析

基于钻孔压水试验,考虑渗流场对应力场的力学效应,建立渗透系数随岩性均匀分布的均质三维稳定应力渗流计算模型,并考虑复杂断层穿过主要洞室,对比分析有无渗流场对洞室围岩稳定的影响,研究复杂地质条件下洞室顶拱部位的变形特征。结果表明,考虑渗透作用时,围岩应力和位移均不同程度增大,塑性区分布范围扩大,锚杆锚索承载作用明显;顶拱区域受复杂断层分布影响大,断层倾角越大围岩稳定性越好,应注意加强断层附近围岩的排水并采取支护措施。     

考虑渗流影响的隧道开挖支护力分析

在计算富水地层中隧道开挖稳定性时,同时考虑开挖面空间效应与渗流场效应具有重要意义,可更加贴合实际施工情况。为了研究在二者同时作用下,隧道稳定性的变化规律,基于统一强度理论推导了考虑渗流体积力影响的隧道开挖弹塑性解答。并运用Ｈｏｅｋ拟合方程求解了空间效应影响下隧道的洞壁位移,以此建立了因空间效应而产生的围岩附加位移场、应力场力学模型。进而推导出了在渗流影响下,开挖隧道时渗流体积力、支护阻力、径向位移与掘进面间纵向距离的关系式。根据隧道径向位移以及支护阻力的变化规律,对实际施工中支护时机的选择提供了一定参考。结果表明:在考虑渗流体积力影响时,空间效应作用下的支护结构所受压力较小,可适当提前支护时机,充分发挥支护结构作用,从而有效降低围岩变形,有利于隧道保持稳定。     

基于流固耦合理论的隧道围岩稳定性分析

研究了不同围岩等级、埋深条件下,考虑流固耦合效应时,隧道开挖后围岩渗流场、应力场、位移场及塑性区的分布特征,探讨了流固耦合效应对围岩稳定性的影响。与非耦合条件下计算结果的对比分析表明,流固耦合效应对开挖后的围岩稳定性具有较显著的影响。     

考虑地下水渗流影响的衬砌隧洞弹塑性分析

考虑地下水渗流场的作用,将含水围岩作为两相介质体,视外水压力为渗透水作用在围岩和衬砌应力场中的体积力,分别考虑围岩与衬砌的渗透系数,并基于岩体应变非线性软化特征,对衬砌隧洞进行弹塑性分析,得到了渗流场作用下围岩与衬砌的应力和位移解析计算式,并得到围岩开始产生屈服的极限应力。计算表明,当考虑渗透水压力作用时,围岩径向应力和切向应力都增大,并使围岩塑性区扩展;当隧洞围岩、衬砌材料的渗透系数差异显著时,不能简化为等渗透系数处理。     

考虑渗流及软化效应的深埋引水隧洞围岩弹塑性分析

为研究圆形引水隧洞围岩的塑性区及应力分布情况,应用弹塑性力学,考虑渗流及应变软化的影响,采用统一强度准则,推导了圆形隧洞围岩各分区应力场以及塑性区半径的解析解,结合工程算例分析,得到围岩软化、渗流作用、中间主应力系数对隧洞切向应力和塑性区半径的影响规律,同时通过定义不均匀渗透系数,分析了不同方向上孔隙水压力分布规律。研究结果表明:随着不均匀渗透系数的改变,渗流沿不同方向表现出了各向异性,且越靠近水平方向或垂直方向,孔隙水压力分布受不均匀渗透系数的影响越明显;渗流及材料软化对围岩应力场分布以及塑性区大小均有不同程度的影响,材料软化较渗流影响对围岩稳定更为不利;中间主应力系数对围岩切向应力及塑性区范围有着显著的影响,不考虑中间主应力效应时计算结果相对保守,不能有效发挥出围岩的强度。研究结论可为研究含水岩体下隧洞开挖围岩稳定性等问题提供理论参考。     

3种模拟方法在基坑降水开挖分析中的差异

以某基坑开挖工程为例,从基坑位移、稳定安全系数和连续墙受力变形3个方面比较了不考虑地下水、考虑静水压力和渗流—应力耦合3种模拟方法在分析基坑稳定性中的差异。计算结果表明:相比不考虑地下水和考虑静水压力,渗流—应力耦合计算的基坑位移最大、稳定安全系数最小、墙体所受弯矩最大,结果偏安全。建议在基坑稳定性计算中采用渗流—应力耦合法,有利于保障基坑降水开挖的施工安全。     

高聚物防渗墙土石坝及其应力场与渗流场耦合分析

系统介绍了土石坝防渗加固工程中高聚物防渗墙的施工方法和步骤,在考虑实际工程条件基础上,建立坝体正常蓄水情况下高聚物防渗墙土石坝应力场与渗流场耦合分析的数值模型。高聚物防渗墙堤坝在考虑渗流-应力耦合作用时,坝体不同位置处的最大压应力的结果要大于不计耦合时的压应力值,且高聚物防渗墙竖向位移和水平位移值考虑耦合时明显大于不计耦合时,坝体内浸润线位置也有同样变化。分析结果说明忽略渗流与应力耦合作用会导致坝体和墙体的位移和应力计算结果偏小,为今后高聚物防渗墙除险加固工程的设计及施工提供理论依据。     

边界条件对软岩力学有限元计算的影响

采用三维计算模型,模拟分析了西霞院软岩力学特性,对3种约束条件下的计算结果进行了对比:固定约束情况下中心柱作用面的竖向应力和竖向位移与不加约束情况下中心柱作用面的竖向应力和竖向位移接近;刚壳约束条件下中心柱作用面的竖向应力稍大.因此,在建立更复杂的计算模型时,可以用固定约束代替其他两种约束方式.     

地下水对节理岩体隧洞围岩稳定性的影响

采用离散网络渗流模型模拟节理岩体中的渗流,分析渗流对节理地下洞室稳定性的影响。通过对洞室开挖后常规静力荷载、常规静力荷载与渗透压力耦合作用以及常规静力荷载作用下考虑地下水对洞室围岩的软化作用3种工况进行模拟,得出洞室在3种工况下的应力和位移变化情况。结果表明:考虑地下水与否,不受其他外加荷载作用时,节理岩体地下洞室的围岩都不会遭到破坏;有高水头地下水作用时,渗透压力对洞室围岩的影响要比地下水对洞室围岩的软化作用对洞室围岩的影响大得多;渗透压力对地下洞室围岩的影响主要集中在洞顶部位,洞室侧壁围岩受地下水的影响较小。     

高外水隧洞变形稳定性的基质压缩效应

深埋水工隧洞通常会面临高地下水位问题,为准确分析高外水隧洞围岩变形稳定性,需合理模拟外水内渗的力学作用。现阶段,学者们虽已认识到在饱和岩体渗流-应力耦合分析中考虑岩石基质压缩的必要性,但针对岩石基质压缩对高外水隧洞变形稳定性影响的相关研究尚未见报道。基于饱和多孔介质有效应力原理和孔压修正系数,并考虑围岩渗透特性动态演化,建立了高外水隧洞渗流-应力耦合分析模型,并在ABAQUS中进行了数值实现。依托某深埋引水隧洞,在分析其渗流场和变形稳定性的基础上,开展了不同岩石基质可压缩性条件下的高外水隧洞渗流-应力耦合分析,揭示了高外水隧洞围岩变形稳定性随岩石基质可压缩性的变化规律。结果表明：岩石基质压缩直接影响着高外水隧洞的外水内渗过程,对高外水隧洞围岩变形稳定性不利,岩石基质可压缩性越大,则围岩变形和塑性区范围越大,在分析中忽略岩石基质压缩将得出偏于危险的结果。     

陕西何家梁隧道地应力测量及围岩稳定性评价

基于何家梁软岩隧道的工程地质条件与三维水压致裂地应力测试方法,测量并分析了工程区地应力分布规律,并采用FLAC3D数值分析软件对隧道开挖稳定性进行了评价。结果表明:自重应力是该地应力场中的主要影响因素,测区应力场为高应力水平,隧道开挖后,边墙中上部及拱顶有不同程度的下沉,周边位移相对值仍在规范允许范围之内。测试及数值分析结果可为工程区隧道开挖的稳定性分析及安全支护提供参考,可对类似软岩隧道的地应力测试及分析提供借鉴。     

基于渗流应力耦合的导流洞封堵期 结构安全分析

通过建立复杂三维渗流场模型,对导流洞整体三维渗流场特性进行分析;同时基于渗流—应力耦合模型,应用空气单元模拟导流洞渗流场分析中的排水孔效应,采用三维弹塑性非线性有限元法对导流隧洞开挖、支护、下闸蓄水及封堵期的围岩稳定及结构安全性进行了全面仿真计算分析。结果表明,采用空气单元可以有效模拟排水孔的排水效果;在顶拱围岩设置排水孔可有效降低洞周围岩的外水压力水头,改善支护结构的受力状况。     

高地温引水隧洞围岩热——应力耦合分析

针对新疆某高地温环境下的圆形隧洞,采用有限元分析程序,分别对不同围岩半径下的温度场分布进行模拟,并以不同围岩半径下围岩与支护接触面处的温度作为围岩合理计算范围取值的参考,结合有关理论分析的结果,确定出围岩最佳计算半径。在此基础上进一步研究隧洞施工期围岩温度、应力和位移场在热—应力耦合作用下的分布问题。研究结果表明,当围岩外部温度为80℃、隧洞内部温度为5℃时,隧洞开挖后考虑温度和应力共同影响下的围岩最佳计算半径为24 m。隧洞围岩温度沿围岩厚度方向呈非线性递增变化。与常温(20℃)情况相比,高地温的存在会使隧洞围岩最大主应力减小,同时也会在隧洞拱顶和底拱处产生拉应力。     

有限元法在吉林省中部城市引松供水工程中的应用

有限元法具有考虑岩土介质的非均匀性、各项异性、非连续性和材料与几何非线性,且能适应于各种实际边界条件的优点,在隧洞分析中比常规计算方法具有一定的优越性.本文针对吉林省中部城市引松供水工程中的有压隧洞,采用有限元法计算在不同围岩类别条件下开挖隧洞所引起的位移变形、应力和应变值,分析围岩稳定性,为设计、开挖及维护隧洞提供可行性方法.     

富水黄土隧洞加固方式对其力学响应的影响

依托某富水黄土隧洞,应用有限元分析软件对常水位作用不同工况下洞周围岩渗流场和位移场进行了模拟,对开挖过程中不同加固方式对洞周围岩的响应(渗流场、应力场和位移场)进行了研究。结果表明:洞周加固体的渗透性能对围岩的渗流路径、孔隙水压力和流速都有较大影响,对隧洞周围土体位移也有影响。在进行富水黄土隧洞注浆加固材料设计时,既要考虑材料的阻水效果,同时还要考虑加固体阻水后导致的土体孔隙水增加引起的土体抗剪强度的降低效应。     

阳江抽水蓄能电站高压隧洞段工程地质条件分析

通过分析阳江抽水蓄能电站高压隧洞段的工程地质条件,从隧洞的覆盖层厚度、围岩水力劈裂、围岩渗透稳定性方面进行分析判别,结果高压隧洞段Ⅰ~Ⅱ类围岩满足采用钢筋混凝土衬砌的工程地质条件,但断层和裂隙密集带发育的Ⅲ~Ⅳ类围岩在高水头压力作用下会发生渗透破坏,需专门进行固结灌浆处理。     

基于离散元的节理岩体水工隧洞地震动力特性分析

基于非连续介质理论,借助离散元软件UDEC,建立了大跨度、高边墙的缓倾角层状节理岩体水工隧洞力学分析模型,研究了地震力作用下,隧洞围岩不同部位的波速特性、位移分布、应力分布、塑性区分布等力学特性及围岩稳定性问题,获得了大型地下隧洞不同部位围岩在地震中的响应规律。在垂直方向正弦剪切地震波的作用下,各监测点竖向动力特性明显比水平方向大;地震波作用初期,边墙产生的位移值大于顶拱,随时间的推移,底板围岩变形受地震作用较大;洞室各监测点应力值相对地震波作用前均有较小程度的增大;震后隧洞边墙及底板岩体是塑性区范围扩大较明显的部位。研究结果可为同类大型地下工程的设计和施工及进一步分析地震作用下围岩的变形破坏过程提供参考。