输水隧道二维地震反应分析

为研究软土中的浅埋输水隧道由于内部水体的作用使其动力特性与一般的交通隧道有所不同.在考虑介质的辐射阻尼的情况下,采用流-固耦合的分析方法分析一穿越河底的大管径输水隧道二维平面应变的地震反应,同时讨论其水体晃动、阻尼系数、内水压力、围岩种类、围岩的不均质分布、围岩和衬砌的非线性及衬砌的厚度对衬砌的地震响应的影响.结果表明:在满水且无内水压力的情况下,流体对隧道衬砌的地震反应影响不是很大;但其水体晃动、辐射阻尼、内水压力、围岩种类、围岩的不均质分布和围岩非线性及衬砌的厚度,对衬砌的地震反应有很大的影响;并且随着内水压力的增加,其地震反应趋于剧烈.     

穿越断层隧道纵向地震响应规律解析解

隧道穿越断层区域在地震中易受到严重破坏,是隧道抗震设防的重点控制区域。针对现有设计方法很少考虑隧道穿越断层的现状,基于穿越断层隧道地震响应特点,将隧道沿纵向简化为三段位于不同地层条件的黏弹性地基上的剪切梁,推导了地震动下穿越断层隧道纵向地震稳态响应的解析表达式,建立了面向工程设计的穿越断层隧道纵向抗震简化分析方法。首先,采用Kelvin黏弹性地基上的剪切梁模拟衬砌节段,基于格林函数法、拉普拉斯正逆变换和留数法推导衬砌节段在荷载激励下沿纵向的响应。其次再结合衬砌连续性条件获得穿越断层隧道纵向响应解析解。然后通过与数值分析结果的对比分析,验证了该方法的有效性和可行性。最后采用该解析方法进行了敏感性参数分析,探究了边界条件、结构刚度、断层破碎带性质、地基阻尼等关键因素对穿越断层隧道结构地震响应的影响规律：（1）增大衬砌的弯曲刚度会减小衬砌上的位移响应,但同时会显著增大衬砌上的内力响应值;（2）加固断层围岩可减小衬砌在地震动作用下的位移响应,也使衬砌的内力响应减小,并能减小断层对隧道沿纵向地震响应的影响范围;（3）阻尼的存在使衬砌的振动沿隧道纵向出现异步性,加载波的频率越高,隧道衬砌振动的异步性越明显。该解析方法能够快速计算得到穿越断层隧道的地震响应,可为相关隧道工程的抗减震设计提供参考。     

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.     

1500m3水塔流固耦合时程分析

根据工程实例,研究了塔体与水体流固耦合的边界条件和运动方程,建立水塔体系的流固耦合有限元模型。通过施加天津波与E1Centro波进行地震激励,借助ANSYS软件分析了水体晃动对水塔地震位移响应的影响。计算表明:水体的晃动可以减小地震对塔体的位移响应,当蓄水深度增大时,减震效果明显。     

断层倾角与相对位置对隧道衬砌地震动力响应的影响分析

以江西都九高速公路断层破碎带区域温泉隧道为工程背景,采用有限单元和反应时程分析方法,研究了断层与隧道相对位置对衬砌结构地震响应的影响规律。结果表明衬砌加速度和位移响应峰值随着断层倾角的减小呈非线性增大,断层倾角为30°时的衬砌加速度、位移和应力响应峰值最大,其拉应力峰值为7.35 MPa,比无断层情况下的要大许多,出现在左拱肩位置。断层相对位置对衬砌位移响应影响较小,对衬砌加速度和应力响应影响较大,隧道穿越断层时,衬砌应力峰值最大,隧道位于断层下盘时衬砌应力峰值最小。     

风化花岗岩地层隧道衬砌裂损分析与处理研究

围岩风化不仅能改变围岩的矿物成分,而且能降低其强度,使得作用于衬砌结构上的围岩压力加大,导致衬砌开裂,甚至发生破坏.新家洞隧道穿越地层为花岗岩地层,开挖后围岩稳定性好,按Ⅱ级围岩支护.但隧道建成2 a后,隧道衬砌结构出现严重裂损.为了研究衬砌结构开裂原因,采用试验手段对裂缝周边混凝土强度及花岗岩的物相成分、力学性质等进行测试.测试结果表明,围岩风化、强度降低是导致衬砌开裂的主要原因.最后,利用有限元反分析法确定围岩物理力学参数,并基于此对整治后隧道结构安全性进行评价,从数值模拟结果和现场实施效果看,衬砌结构满足强度要求.研究成果对类似地层中隧道设计与施工具有参考意义.     

基于粘弹性边界的河床式厂房地震动力响应分析

为分析河床式厂房在地震过程中的动力反应,评价其抗震安全性并找到其抗震薄弱部位及探讨地基辐射阻尼对厂房结构动力响应的影响,运用三维非线性有限元技术,对某厂房在地震过程中的动力反应及抗震安全性进行精确计算分析.其中采用粘弹性边界考虑地基辐射阻尼影响,采用流固耦合的方式考虑水体的作用.计算结果表明:河床式厂房动力响应受顺河向地震作用明显;上部结构动力响应大于下部结构;厂房上游部位动力响应大于靠下游部位:上游排架柱拉、压应力最大达到4.53、-5.58 MPa.同时,将计算结果与无质量地基方案计算结果进行对比得到:考虑地基辐射阻尼能有效降低河床式厂房的地震动力响应,最大降幅可达64.36%.     

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.     

山岭隧道二次衬砌环向裂缝的震害机理

目的 为深入研究山岭隧道二次衬砌在地震中的受力特征和破坏机制,解释衬砌结构环向裂缝的产生原因.方法 基于应答变位法理论,以汶川地震中受到破坏的龙溪隧道作为研究对象,采用有限元方法研究了山岭隧道二次衬砌沿其轴线方向的地震响应规律.结果 在隧道内离洞口1000m的区域,衬砌结构的轴向拉应变最大值达到了150×10-6,远高于C25级混凝土的极限拉应变,该区域首先发生环向断裂.结论 隧道结构的地震响应受其所在岩体受震时发生的相对变位所支配.强烈的地震发生过程中,沿隧道轴线方向的衬砌结构可能承受强烈的拉压作用.当衬砌混凝土的实际应变超过其极限应变时,会发生衬砌结构的环向开裂和混凝土剥落.     

水下隧道周围土体及衬砌变形力学性状研究

以拟建的哈尔滨松花江隧道为例，直接针对隧道安全运营，采用因子对目标函数影响的优化思想，在假定不同工况的若干种设计模型下，考虑土体-衬砌相互作用及材料变形的非线性特性，建立尽可能逼近实际问题的有限元计算模型．基于ANSYS软件反复进行数值模拟实验，研究隧道周围土体及衬砌变形的力学性状，并据此预估隧道最危险破坏点，为合理确定隧道覆土层安全厚度提供理论依据．     

软岩隧道施工变形修复方案优化研究

某隧道在建设过程中,由于上覆荷载大,围岩强度较低,围岩出现了较大变形,严重影响隧道安全,需对隧道进行修复.根据实际情况设计了反增加初期支护厚度和增加初期支护厚度并加固围岩2种修复方案,并依据实测地形分别建立了有限元计算模型,采用不同的工况模拟了隧道修复方案.对计算结果从围岩位移、应力、塑性区发展以及衬砌内力等方面进行了对比和分析.研究结果表明,围岩注浆对软岩隧道的围岩变形、围岩应力的控制效果优于仅采用增加初衬厚度的修复方案.此研究对类似隧道修复具有借鉴意义.     

地下钢筋混凝土岔管应力分析

结合国内某抽水蓄能电站的钢筋混凝土岔管工程实例,提出了围岩、混凝土等材料的数值模拟方法,通过三维有限元线性和非线性计算,分析研究了地下钢筋混凝土岔管在施工、内压、外压等工况下,围岩、衬砌、钢筋的应力与变形,探讨了岔管受力和破坏的一些基本特性.     

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。     

压力隧洞衬砌结构型式选择准则

为了从渗透角度给出压力隧洞衬砌结构型式的选择准则,采用渗流-应力-开裂耦合分析模型,进行一系列组合工况下的压力隧洞内水外渗分析,计算得到在不同工况下不同内水压力时的压力隧洞综合透水率.以综合透水率作为判断隧洞是否渗透破坏的标准,建立破坏内水压力与围岩综合抗渗指标的关系,拟合出不同容许吕荣值对应的破坏内水压力与围岩综合抗渗指标的关系曲线,作为钢筋混凝土衬砌与钢板衬砌以及不衬砌与钢筋混凝土衬砌的分界线.研究结果表明,当围岩综合抗渗指标<25时,必须采用钢筋混凝土或钢板衬砌;当围岩综合抗渗指标较大时,对低水头电站压力隧洞可不衬砌.     

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PFC-FLUENT联合开展岩体水力劈裂细观机理分析

为研究岩体水力劈裂的致灾过程,揭示水力劈裂细观机理,采用VB编译平台,实现PFC、SURFER、GAMBIT、FLUENT商业软件的调用,并依托FORTRAN编译子程序实现软件间数据信息交换及特定功能,完成岩体水力劈裂三维分析平台的构建。随后,利用该平台建立与文献中相同的岩体水力劈裂圆筒模型,并与试验结果比对,验证了该平台研究岩体水力劈裂的可行性。最终,以某一输水隧洞为例,依托该平台开展输水隧洞裂纹扩展研究,分析高内水压下围岩裂隙萌生、扩张、延伸、贯通的破坏过程。结果表明:该平台能较精细地揭示隧洞衬砌水力劈裂过程并动态获取相应裂隙流场分布特征,针对该隧洞模型,衬砌外围岩压力大于0.6 MPa时方能确保当前高压内水作用下隧洞衬砌安全。