倾斜坡体中水工高压隧洞围岩应力场特性分析

把岩体看作均质、各向同性连续透水弹性介质，引用Harr(1962)提出的镜像理论，结合Zienkiewicz(1958)和Femandez(1994)所作的假定，推导了倾斜地表下水工压力隧洞内水外渗产生的有效应力：假定初始应力场为自重应力场，结合现有的部分成果，详细分析倾斜地表下水工压力隧洞初次充水和正常运行期围岩中的应力场分布。倾斜地表下水工压力隧洞在满足挪威准则的前提下，围岩最小主应力在一定范围内为拉应力，拉应力区呈蝶形分布，且其范围随地表倾斜角的增加而扩大：倾斜地表下压力隧洞最易出现水力劈裂现象的不利位置是围岩拉应力蝶形区伸展最大的方位：隧洞埋深增加1／8最小覆盖层厚度可有效地减小围岩中拉应力区的范围：陡倾地表下压力隧洞设计应慎用水工隧洞设计规范的边坡高限角。     

温度裂缝对水工隧洞安全运行的影响分析

本文对温度裂缝作为水工隧洞安全运行影响因素进行深度论证,运用理论公式计算的方式能够计算出带裂缝钢筋混凝土的耐久性寿命。作为水工隧洞结构耐久性的讨论依据,本文以实际的隧洞施工为研究对象,运用有效单元法,对裂缝衬砌混凝土动力特性以及安全性加以论述,在不同深度裂缝下将不同长度的水工结构固有频率进行安全影响因素共振情况的对比,判断裂缝达到何种程度对于结构安全会发生影响。经过论证表明,水工隧洞寿命影响与裂缝、深度、温度、裂缝、结构等都有关系不同深度、不同长度的裂缝模型,在固有频率上产生的水流脉动主频最大值,包括结构长度60%、结构厚度30%的参数,作为结构的安全性能上影响要素,与隧洞运行有直接关系。     

水工隧洞运营期风险管理应用研究

针对水工隧洞运营期管理存在的问题,如何减少事故发生率,减少灾害损失是亟待解决的问题,引入风险管理技术,对隧洞运营期风险水平和风险后果进行了等级分类,分析了隧洞管理中风险成本～风险效益之间的关系,归纳了隧洞耐久性的影响因素,采用专家调研法,根据工程实例,评价了水工隧洞的风险等级,提出了隧洞处理措施,实现了风险分析方法在水工隧洞运营期风险管理中的应用,为水工隧洞管理提供了借鉴的范例.     

导流隧洞体型系统规划数学模型

本文采用系统工程分析方法研究导流隧洞的体型优化设计,发展了一套隧洞最优设计的非线性规划数学模型,该模型以隧洞造价最小做为设计的目标函数,考虑了几何约束、流动约束、强度约束、受力约束和限裂约束的影响,将隧洞设计归纳为求解复合约束条件下的非线性规划问题.在求解非线性规划问题的过程中,采用了变量变换法和广义拉格朗日乘子法等新方法将复合约束条件下的非线性规划问题转化为无约束非线性规划问题.为了克服受力约束中存在非线性常微分方程组不能解析列出目标函数的梯度方程的限制,采用了一阶差分方法计算目标函数的梯度.为了提高计算效率,采用了DFP变度量算法求解无约束隧洞体型非线性规划问题.采用这一模型,可以同时求出隧洞断面几何参数、衬砌厚度、钢筋配量的最优值.工程实例计算表明采用这一方法可以获得显著的经济效益.这一模型不仅适用于导流隧洞,也适用于其它用途的水工隧洞.     

水下隧道合理覆盖层厚度数值模拟研究

合理的确定水下隧道覆盖层厚度是建设水下隧道关键技术之一.一方面,覆盖层厚度是水下隧道建设的一个重要经济指标.在水下隧道线路方案确定以后,覆盖层厚度的大小直接决定着水下隧道的长度,从而影响水下隧道的建设费用.另一方面,覆盖层厚度还是控制水下隧道施工和运营安全的一个重要因素.文章通过有限元流固耦合分析,提出了长沙市湘江大道浏阳河隧道合理覆盖层厚度,直接指导了该隧道设计,同时对其它水下隧道设计具有借鉴作用.     

工程类比经验法确定水下隧道岩石覆盖层厚度

归纳了国内外常用确定最小岩石覆盖层厚度的方法——挪威经验法、国内顶水采煤经验法、隔水岩柱经验计算法和日本经验公式,利用上述四种方法对重庆两江隧道中的长江隧道最小岩石覆盖层厚度进行工程类比分析得到,长江隧道最小岩石覆盖层厚度取值为21m～32m。     

面波法在水工隧洞混凝土质量无损检测中的应用

依托引滦入津输水隧洞混凝土边墙衬砌质量检测工程,从频率特性和现场环境下的可操作性等方面优化震源激发方式,优化检波器设置方式,研发出适合水工隧洞快速无损检测的设备和施工方法;对依托工程中的受损水工隧洞进行详细的无损检测,结合工程实际检测数据的处理,研究各种混凝土配合比下的弹性波速度和混凝土抗压强度对应关系,进而综合判断0.1 m范围内混凝土的劣化情况。用面波法对隧洞边墙混凝土进行了检测评价,并与取芯结果进行了比较。结果表明,该方法穿透深度大、不受钢筋影响,能够快速准确地进行水工隧洞混凝土质量的检测。     

最小涌水量法确定隧道最小岩石覆盖层厚度

对于利用钻爆法施工的隧道,确定埋深的主要依据是涌水量,通过选取不同的岩石覆盖层厚度计算出对应的涌水量得到涌水量和覆盖层厚度的曲线,对应曲线上最小涌水量的岩石覆盖厚度为最小岩石覆盖厚度。文中采用FLAC3D对栋杆嘴长江隧道的涌水量进行数值仿真分析,并用最小涌水量法确定隧道的最小岩石覆盖层厚度。     

小断面水工隧洞工程掘进施工通风技术浅析——以湖南椒花水库工程供水隧洞为例

施工通风在小断面水工隧洞工程掘进施工中极为关键,它既涉及隧洞掘进施工的安全问题,也会影响工程的施工进度。为了确保水工隧洞施工的顺利进行,本文结合湖南椒花水库工程隧洞施工的具体实践,对小断面水工隧洞工程掘进通风的特点、难点、关键技术以及相关施工标准进行探讨和研究的基础上,对小断面水工隧洞工程掘进施工中的通风技术应用进行归纳总结。     

装药爆炸作用下地下拱形结构等效静载研究

分析研究了影响装药爆炸作用下拱形地下结构等效静载大小的两个主要因素--岩石震塌拱高度和落石速度,得出了岩石震塌拱高度随地下拱形结构覆盖层厚度增加而呈线性递减的规律,以及落石速度随覆盖层厚度增加而呈指数衰减的规律,并对等效静载随岩石覆盖层厚度的衰减进行了量化分析.研究结论对于相关科研及工程实践具有重要参考价值.     

基于SMP准则的衬砌隧道围岩抗力系数的计算

按照荷载–结构法思想,合理地考虑围岩与衬砌共同承载由于开挖而引起的二次应力作用,对于提高围岩抗力系数具有重要的作用。文章基于SMP(Spatially Mobilized Plane)屈服准则,推导出围岩抗力系数的计算公式,可以很好地考虑中间主应力的影响。通过改变隧道围岩物理力学性质中的内摩擦角
和黏聚力
值,与Mohr-coulomb强度准则下的围岩抗力系数计算值进行了对比。研究结果表明,考虑中间主应力的影响可以很好地提高隧道围岩的抗力系数。从而基于黏性材料的SMP准则计算具有衬砌隧道的围岩抗力系数具有较强的工程实用价值?     

Hoek-Brown准则奇异屈服面的圆化方法及其强度折减技术与应用

 为克服基于Hoek-Brown强度准则的屈服面数值奇异问题,提出新的棱角处屈服面圆化方法,在此基础上,借助ABAQUS二次开发平台,采用FORTRAN语言编制理想弹塑性模型子程序,应力更新算法为完全隐式的向后欧拉积分算法; 提出基于Hoek-Brown准则的有限元强度折减技术,并将其嵌入到圆化后的屈服函数中,探讨了强度折减技术应用于Mohr-Coulomb强度准则和Hoek-Brown非线性强度准则的异同点。对某圆形隧洞的模拟分析表明,围岩应力和塑性区的数值计算结果和解析结果吻合很好;对某岩质边坡的模拟分析表明,与等效Mohr-Coulomb模型的线性强度折减技术相比,基于Hoek-Brown模型的非线性强度折减技术获得的潜在滑动面位置较浅、形状较陡,更符合岩质边坡滑动面的特征,两个算例验证了该圆化方法和非线性强度折减技术的正确性和适用性。     

基于广义Hoek-Brown非线性破坏准则的节理岩体地基承载力研究

 针对节理岩体非线性破坏特征,发展基于Hoek-Brown破坏准则的临界滑动场理论进行节理岩体地基承载力的计算。首先将Hoek-Brown准则的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,求得每点的瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力;在此基础上,改进基于Mohr-Coulomb准则的临界滑动场理论,建立新的迭代算法,将Hoek-Brown强度准则与临界滑动场理论结合起来,求解被动土压力和地基承载力。同时,综合分析GSI和mi值对地基承载力的影响。算例对比分析结果表明,该方法能迅速准确地确定节理岩体地基最危险破坏滑面并得到相应的地基极限承载力值。     

软弱岩石峰后应变软化力学特性研究

 软弱岩石给采矿工程中巷道支护和维护带来一系列棘手的问题,深入研究软弱岩石受力变形、破坏的机制和规律,对于保证巷道围岩的安全和稳定具有十分重要的意义。通过对软弱泥岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的全应力–应变关系曲线,然后依据峰后岩石任意一点应力状态均满足Mohr-Coulomb极限破坏条件的假设,建立以广义黏聚力 和广义内摩擦角 两个状态参数来表征的软弱岩石后继屈服面模型。在此基础上,利用试验数据绘制岩石峰后不同软化状态时的几组莫尔应力圆,通过“切线法”得出莫尔强度包络线的拟合方程,进而确定出不同围压条件下的 和 值,并借助Matlab软件对广义黏聚力 、广义内摩擦角 与等效塑性剪切应变、围压之间的关系进行最小二乘曲面拟合,得出软弱岩石峰后力学参数的软化规律,结果表明：随着围压的增加,广义黏聚力 值呈快速增加的趋势,而广义内摩擦角 值则显著减小;广义黏聚力 受岩石软化程度的影响也十分明显,从岩石峰值状态到残余状态 值迅速降低,平均降低53.88%,而广义内摩擦角 值在该软化过程中则基本保持稳定。最后,将得到的广义黏聚力 和广义内摩擦角 的拟合方程嵌入到FLAC内置应变软化本构关系中,并利用FLAC3D软件对模型的正确性进行数值模拟验证,结果表明数值模拟曲线与试验曲线比较吻合。     

An approximate nonlinear modified Mohr-Coulomb shear strength criterion with critical state for intact rocks

In this paper, the Mohr-Coulomb shear strength criterion is modified by mobilising the cohesion and internal friction angle with normal stress, in order to capture the nonlinearity and critical state concept for intact rocks reported in the literature. The mathematical expression for the strength is the same as the classical form, but the terms of cohesion and internal friction angle depend on the normal stress now, leading to a nonlinear relationship between the strength and normal stress. It covers both the tension and compression regions with different expressions for cohesion and internal friction angle. The strengths from the two regions join continuously at the transition of zero normal stress. The part in the compression region approximately satisfies the conditions of critical state, where the maximum shear strength is reached. Due to the nonlinearity, the classical simple relationship between the parameters of cohesion, internal friction angle and uniaxial compressive strength from the linear Mohr-Coulomb criterion does not hold anymore. The equation for determining one of the three parameters in terms of the other two is supplied. This equation is nonlinear and thus a nonlinear equation solver is needed. For simplicity, the classical linear relationship is used as a local approximation. The approximate modified Mohr-Coulomb criterion has been implemented in a fracture mechanics based numerical code FRACOD, and an example case of deep tunnel failure is presented to demonstrate the difference between the original and modified Mohr-Coulomb criteria. It is shown that the nonlinear modified Mohr-Coulomb criterion predicts somewhat deeper and more intensive fracturing regions in the surrounding rock mass than the original linear Mohr-Coulomb criterion. A more comprehensive piecewise nonlinear shear strength criterion is also included in Appendix B for those readers who are interested. It covers the tensile, compressive, brittle-ductile behaviour transition and the critical state, and gives smooth transitions.     

莫尔-库仑和霍克-布朗强度准则用于评估脆性岩石动态强度的适用性

基于对新加坡Bukit Timah花岗岩进行的一系列的动力实验，包括单轴压缩，三轴压缩，单轴拉伸和直剪实验，以及对这些实验结果的系统分析，检验莫尔-库仑准则和霍克-布朗准则用于评估岩石动态强度的适用性，研究结果表明，在较低的围压条件下，岩石动态强度大致符合莫尔-库仑强度准则，且强度变化主要是由于粘聚力附加载速率变化引起的，岩石动态强度更好地符合霍克-布朗强度准则，特别是在较高围压下（如大于100MPa）。     

Hoek-Brown准则的多项式近似解法

Hoek-Brown岩体破坏准则已在全世界范围内的岩土工程中广泛应用,它综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多方面的影响。基于通用的Hoek-Brown准则,引入Lambe变量和既时摩擦角,将其转化为Mohr-Coulomb破坏准则的形式,得到用Mohr-Coulomb破坏准则形式表示的隐式函数Hoek-Brown准则。为求得隐式函数的近似解,采用三次和四次多项式进行拟合,得到了n为0.5及0.65时的近似解以及Hoek-Brown破坏应力圆的Mohr包络线,并给出了各不同多项式拟合公式的误差分布。经分析对比,考虑到精度和工程的适用性,最终选用四次多项式进行拟合。最后结合一嵌岩桩嵌岩段极限摩阻力工程实例,并给出了该算法求解的具体过程。     

深埋隧道锚岩体力学参数综合取值研究

深埋岩石工程勘察设计阶段中岩体原位试验工作困难,针对深埋复杂岩体力学参数选取问题,提出在岩体地质分析基础上,综合原位试验和Hoek-Brown准则的岩体力学参数取值方法.该方法首先依据勘探成果分析岩体地质特征,对工程区岩体进行分类,应用Hoek-Brown 准则确定各类岩体力学参数并采用经验参数核对校正,确定设计阶段岩...     

A new slice-based method for calculating the minimum safe thickness for a filled-type karst cave

A new slice-based method is proposed for calculating the minimum safe thickness for a filled-type karst cave. A computational slice model of the filling medium is put forward with the assumption that the filling medium is in a limit equilibrium state on a straight-line sliding surface. The force expression is calculated, and the most dangerous sliding surface is identified. For intact and fractured resistant bodies, theoretical formulas for the minimum safe thickness are deduced from the tension strength and shear strength criteria of the rocks, respectively. A case study is analyzed, and several influencing factors are discussed. The results show that the cohesion of the filling medium has no effect on the angle of the sliding surface, and the angle of the sliding surface increases by 1.5° if the internal friction angle increases by 3°. The force that filling medium acts on the resistant body decreases nearly linearly with increasing cohesion and decreases nonlinearly as the internal friction angle increases. The minimum safe thickness decreases nearly linearly as the cohesion or internal friction angle of the filling medium increases. As the tensile strength of the resistant body increases, the minimum safe thickness decreases nonlinearly. The minimum safe thickness increases nonlinearly with increasing load. Compared to an intact resistant body, the minimum safe thickness for a fractured resistant body is larger. The method proposed in this paper provides an efficient and reasonable way to explore the mechanism by which filling medium inrush to the tunnel face of a karst tunnel occurs.

     

孔隙率对岩体中THM耦合作用的弹塑性有限元分析

笔者使用Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型和摩尔-库伦准则,假设在饱和的石英颗粒聚集岩体中有一实验室尺度的高放废物地质处置库模型,针对其拟定两种计算工况:(1)内摩擦角和黏聚力均为常数;(2)内摩擦角为常数,黏聚力是孔隙率的负指数函数,进行4a处置时段的热-水-应力(THM)耦合有限元数值模拟,就岩体中的温度场、渗流场、应力场和浓度场的变化及分布情况进行了考察。结果显示:与黏聚力是常数的情况相比,黏聚力随孔隙率而变化时,岩体相同部位进入屈服阶段的时机滞后,塑性区减小,并推迟了塑性部位的溶质浓度、迁移/沉淀质量、反应体积和颗粒贯穿深度的突变时间;弹塑性分析中由于应力调整和增大了分子扩散系数,使得塑性区的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀相比于弹性区有明显的变化,并对渗流场(孔隙水的压力及流速)和应力场产生显著的影响。