深部软岩隧道施工性态时空效应分析

随着我国交通事业的迅速发展,在深部岩体中修筑隧道工程已必不可少,随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出。主要对深部软岩隧道工程中施工力学性态和变形时空效应进行三维非线性黏弹性数值模拟,并将计算结果与现场实测数据进行比较验证。研究结果表明,计入围岩流变效应,考虑深部软岩隧道时空效应影响,在作业面影响范围内,开挖面空间效应占主导因素,围岩应力随距作业面距离的加大而逐步释放;在此范围外,软弱岩体流变属性得以充分发挥。通过分析和施工实践证明,对于深埋软岩隧道应尽早施作衬护,以改善承载环范围内围岩受力,减少扰动,提高围岩自承能力;由于软岩流变效应显著,必须适时设置二次衬砌以承受来自围岩的后期流变压力,限制围岩大变形。研究成果丰富了地下工程施工力学理论,可应用于工程实践。     

兴安矿深部软岩巷道大面积高冒落支护设计研究

普通小面积冒落支护技术已经被掌握，但是大面积高冒落很难被控制。兴安矿四水平重车线巷道破坏严重，发生大面积高冒落，冒落区长度为150m，最大冒高为8．6m，被称为“一线天”。通过对兴安矿四水平重车线高冒区支护现状进行现场调查和分析研究，发现其破坏原因主要有：（1）围岩强度低且层理发育；（2）原支护形式不合理；（3）水理作用；（4）巷道埋深大；（5）构造应力影响大。根据现场工程地质条件、岩石特性和破坏特点，通过室内试验，确定其软岩变形力学机制为高应力膨胀性软岩，并提出采用“双曲拱”柔层桁架支护技术进行支护，使巷道在空间上形成上下双硐室。工程应用效果表明，“双曲拱”柔层桁架支护技术是一种有效控制深部软岩巷道大面积高冒落的支护形式。     

多体系统非连续变形的弹性及弹塑性分析方法（Ⅱ）——数值算例

应用多体系统非连续变形的弹性及弹塑性分析方法从不同角度对刚性体、弹性体和弹塑性体组合多体系统进行具体的数值计算与分析，探讨接触界面的力学参数和材料强度参数对系统的变形、应力和接触应力以及塑性区的影响，得出十分有意义的结果与比较合理的结论。算例表明非连续变形计算力学模型作为一种新颖而强有力的数值分析与数值模拟方法，能够对一般的刚性体、弹性体和弹塑性体所构成的复杂的多体系统进行静、动力及接触非线性和材料非线性耦合数值分析与模拟，具有广泛的应用前景。     

锚固系统应力传递机理理论及应用研究

以岩土工程锚固力学传递机理理论及应用为课题，通过理论分析、实验室模拟分析、数值计算分析以及现场实测分析等多方面进行深入地研究和探讨，取得了一系列有意义的研究成果：(1)根据锚固系统的受力特征，采用岩土体-锚固体共同变形原理，获得全长粘结式锚杆以及集中拉力型、分散拉力型、集中压力型和分散压力型等各种类型的预应力锚索锚固段应力分布的理论解，并讨论了其受力特征、应力分布规律、因素及其各自的适用条件；(2)通过实验室研究，验证了锚固体与岩土体界面上的破坏是锚固系统失效的主要形式。同时发现锚固力的大小不但与目前公认的几种因素有关，而且与锚固灌浆材料的组构有密切的关系，提出了新的提高锚固力的途径。采用实验研究的方法，探讨了锚固体界面力学特征、在荷载作用下变形规律以及界面上的应力分布规律。根据锚固体的力学效应，将锚固界面上的力学行为分为弹性、滑移和脱粘3种状态；(3)根据实验室研究结果，首次提出锚固界面力学理论，应用Coulomb非关联的流动法则，建立了锚固体界面上滑移状态的力学模型，并导出相对应的本构关系，从而获得界面上各种状态的应力分布规律的理论解；(4)根据锚固力学特征实验分析，建立了具有特色的锚固体界面力学有限元计算分析模型，通过分析计算并与理论研究成果、实验结果相验证，获得了一致性的结论。同时，采用有限元模型模拟技术，获得锚固系统随荷载增加应力分布的演化规律。(5)利用全长粘结式锚杆群取代反力桩进行静载试桩试验，获得大量的现场实测数据，分析研究表明：实测数据与理论分析是一致的，进一步验证了本文所得的研究成果的可靠性。岩土工程锚固理论是锚固技术应用与发展的重要组成部分，本文所获得的研究成果将为锚固理论分析、锚固设计和计算提供可靠的理论依据。     

恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用

 传统刚性锚杆允许巷道围岩的变形量一般均在200 mm以下,不能适应巷道围岩大变形破坏而被拉断失效。自主研发的恒阻大变形锚杆能提供恒定工作阻力和稳定变形量,该锚杆主要由恒阻装置和弹性杆体组成,适应于软岩巷道、深部巷道的围岩支护,可以有效控制冲击地压等工程灾害。利用自主研发的恒阻大变形锚杆(索)试验系统对恒阻大变形锚杆进行室内力学特性试验,试验结果表明,恒阻范围内累计变形量最大值可达1 000 mm。在我国典型深部软岩矿井巷道支护进行现场科学试验,效果良好。     

边坡稳定的大变形有限元可靠度分析

在用有限元法对边坡稳定的可靠度进行分析时，通常只考虑土体的弹塑性变形（即材料非线性问题）。而对于土坡而言，其滑动面附近土体会产生应变局部化，研究结果表明：当平均应变为10％时，剪切带内的应变高达40％。因此，为了真实模拟边坡的破坏情况及过程，应进行边坡的大变形有限元可靠度分析（即几何非线性问题）。基于非线性连续介质力学的基本原理，采用以物质坐标为变量的更新的拉格朗日法（uL法）建立了弹塑性大变形有限元分析模型，同时考虑了边坡工程中的材料非线性及几何非线性问题。在此基础上，采用有限元强度折减法计算边坡的安全系数，建立了边坡破坏的极限状态方程，进行了边坡的有限元可靠度分析。计算比较了弹塑性小变形及弹塑性大变形时均质土坡的安全系数及可靠指标，进行了参数的敏感性分析。得出了当考虑边坡的大变形时，安全系数有所增加而可靠指标有所减小的结论，指出只进行小变形有限元可靠度分析偏于危险。     

多体系统非连续变形的弹性及弹塑性分析方法(II)—— 数值算例

应用多体系统非连续变形的弹性及弹塑性分析方法从不同角度对刚性体、弹性体和弹塑性体组合多体系统进行具体的数值计算与分析,探讨接触界面的力学参数和材料强度参数对系统的变形、应力和接触应力以及塑性区的影响,得出十分有意义的结果与比较合理的结论.算例表明非连续变形计算力学模型作为一种新颖而强有力的数值分析与数值模拟方法,能够对一般的刚性体、弹性体和弹塑性体所构成的复杂的多体系统进行静、动力及接触非线性和材料非线性耦合数值分析与模拟,具有广泛的应用前景.     

软岩地层深部开采地表下沉分析

针对软岩地层深部地下大面积开采岩体移动变形预测问题,利用弹塑性力学理论建立了相应的预测分析理论模型。用所建立的弹性理论模型对某铁矿地表移动变形进行了计算分析,并将理论预测结果和实测资料进行了对比。文中用弹塑性有限元法分析了不同弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等物理力学参数对地表下沉的影响;对软岩地层深部开采地表移动进行了计算分析。结果表明,弹性模量对地表下沉影响较大,而其他参数影响较小。结果表明,弹塑性力学方法适用于分析软岩地层大面积开挖岩体移动预测问题。     

第六届国际软土地下工程学术大会

由国际土力学与岩土工程协会（ISSMGE）和TC28软土地区地下工程施工委员会授权，同济大学承办，中国土木工程学会、中国岩石力学与工程学会、香港岩土工程学会、上海土木工程学会、香港工程师学会地下工程分会、香港科技大学协办的“第六届国际软土地下工程学术大会”（IS-Shanghai 2008）预计于2008年4月10-12日在上海举行。大会议题：软土与风化岩中的隧道、地下空间及附属设施；深基坑开挖；数值分析与变形预测；地基处理、防渗与变形控制；监测技术；安全、风险与灾害管理。大会组委会最近发出通知称论文提交摘要截止日期由瑚6年11月30日延迟至2007年1月15日。     

底角锚杆在深部软岩巷道底臌控制中的机制 及应用研究

 底臌作为深部巷道围岩变形与破坏的主要方式,一直是煤矿深井开采及其他地下巷道工程中难以解决的问题之一,如何有效地控制底臌成为巷道支护中首要考虑的问题。通过多个试验巷道工程底臌控制措施的对比研究表明,底角锚杆技术对于控制底臌起到了积极的作用。运用三维数值模拟方法,研究底角锚杆在控制巷道底板变形中的力学过程,分析分步开挖下底角锚杆力学性能发挥的时间效应,从而提出底角锚杆控制底臌的工作机制。底角锚杆在控制底板变形中的作用,主要是通过成排置入底板的杆体,利用材料自身的抗弯刚度,切断底板基角部位的塑性滑移线,对于岩体结构为块状结构或块裂结构的深部软岩巷道支护工程,可以有效控制巷道底臌。同时,结合具体的深部巷道工程实例,针对巷道底臌的变形机制及变形特征,合理应用底角锚杆控制底臌技术,提出非对称设计方法,有效控制了底板变形,对于深部巷道底臌的控制及防治具有理论指导意义。     

钢筋混凝土框架顶层中节点的非线性有限元分析

本文应用非线性有限元法分析了钢筋混凝土框架顶层中节点的非线性性能。弹塑性本构关系是建立在Ｄａｒｗｉｎ的模型和Ｃｏｌｌｉｎｓ的斜压场理论基础上，并考虑了混凝土等效单轴受拉软化、受压软化、及钢筋和混凝土之间的粘结滑移，据此编制了非线性分析程序。对顶层中节点在单调荷载作用下裂缝的发展、受力性能及变形特征进行了分析，并和试验结果进行了比较。     

层状盐岩体非线性蠕变本构模型

 针对由不同岩层交替而组成的层状盐岩体,建立泥岩夹层和盐岩复合体代表单元,根据应变协调原理,从细观力学分析角度通过考虑泥岩夹层弹性性质、盐岩弹性及蠕变力学特性以及两相体积含量建立层状盐岩体宏观各向异性非线性蠕变增量型本构模型,分析层状盐岩在蠕变过程中因保持细观应变协调而产生的应力重分布问题,给出新本构模型ABAQUS有限元二次开发增量迭代算法实现方法,对一层状盐岩体简单试样算例进行初步计算分析验证,分析计算与试验结果吻合较好,表明该本构模型能反映细观应变协调时层状盐岩体宏观蠕变力学特性,该模型将为层状盐岩体内硐室长期稳定性分析提供理论计算基础。     

基于强度折减法的高边坡破坏模式与安全评价

本文以甘肃某高边坡稳定性分析为目的,结合现场实测参数,通过基于强度折减法的有限元分析软件—Optum G2,模拟了不同工况下高边坡支护前后的稳定性,利用弹塑性方法对边坡整体变形进行了分析,根据计算结果对高边坡稳定性进行安全评价。结果表明,强度折减法考虑了土体的本构关系及变形对应力的影响,使得计算结果更接近实际,可为边坡治理设计提供理论支持。     

弹塑性损伤模型在某地下厂房工程中的应用

建立了断续多裂隙岩体的弹塑性损伤本构模型,并将该模型应用于某大型水电站地下房工程,进行了施工开挖弹塑性损伤三维非线性有限元计算,获得了较为满意的结果。     

矩形浅埋软岩隧道开挖非线性过程数值模拟

结合沿海地区软弱围岩浅埋暗挖矩形隧道施工,使用有限差分软件FLAC对分部开挖进行非线性数值模拟,研究矩形隧道初期支护在开挖过程中大变形机制。分析结果表明,围岩和初期支护的应力应变是非线性不可逆过程,其开挖方案应采用软弱围岩非线性大变形力学设计方法,以确保开挖施工安全。     

Numerical modeling of large deformation and nonlinear frictional contact of excavation boundary of deep soft rock tunnel

Roadways excavated in soft rocks at great depth are difficult to be maintained due to large deformation of surrounding rocks, which greatly influences the safety and efficiency of deep resources exploitation. During the excavation process of a deep soft rock tunnel, the rock wall may be compacted due to large deformation. In this paper, the technique to address this problem by a two-dimensional (2D) finite element software, large deformation engineering analyses software (LDEAS 1.0), is provided. By using the Lagrange multiplier method, the kinematic constraint of non-penetrating condition and static constraint of Coulomb friction are introduced to the governing equations in the form of incremental displacement. The numerical example demonstrates the efficiency of this technology. Deformations of a transportation tunnel in inclined soft rock strata at the depth of 1 000 m in Qishan coal mine and a tunnel excavated to three different depths are analyzed by two models, i.e. the additive decomposition model and polar decomposition model. It can be found that the deformation of the transportation tunnel is asymmetrical due to the inclination of rock strata. For extremely soft rock, large deformation can converge only for the additive decomposition model. The deformation of surrounding rocks increases with the increase in the tunnel depth for both models. At the same depth, the deformation calculated by the additive decomposition model is smaller than that by the polar decomposition model.     

A Seepage-Deformation Coupled Analysis of an Unsaturated River Embankment using a Multiphase Elasto-Viscoplastic Theory

A multiphase deformation analysis of a river embankment was carried out using an air-soil-water coupled finite element method capable of considering unsaturated seepage flow. A numerical model for unsaturated soil was constructed based on the mixture theory and an elasto-viscoplastic constitutive model. The theory used in the analysis is a generalization of Biot's two-phase mixture theory for saturated soil. An air-soil-water coupled finite element method was developed using the governing equations for three-phase soil based on the nonlinear finite deformation theory, i.e., the updated Lagrangian method. Two-dimensional numerical analyses of the river embankment under seepage conditions were conducted, and the deformation associated with the seepage flow was studied. We have found that the occurrence of large deformations corresponds to the large values of the hydraulic gradients at the toe of the embankment, and that the overflow of river water makes the embankment more unstable. It has been confirmed that seepage-deformation coupled three-phase behavior can be simulated well with the proposed method.     

3D mode discrete element method with the elastoplastic model

The three-dimensional mode-deformable discrete element method (3MDEM) is an extended distinct element approach under the assumptions of small strain, finite displacement, and finite rotation of blocks. The deformation of blocks is expressed by the combination of the deformation modes in 3MDEM. In this paper, the elastoplastic constitutive relationship of blocks is implemented on the 3MDEM platform to simulate the integrated process from elasticity to plasticity and finally to fracture. To overcome the shortcomings of the conventional criterion for contact fracturing, a new criterion based on plastic strain is introduced. This approach is verified by two numerical examples. Finally, a cantilever beam is simulated as a comprehensive case study, which went through elastic, elastoplastic, and discontinuous fracture stages.     

Computational method of large deformation and its application in deep mining tunnel

The characteristics of deep rock mass, such as the elastic resilience, creep, stress release, expansion, dilation and the long-term strength, are of great importance to the rock mass deformation and failure mechanism. However, there is not yet a constitutive model which can describe all these properties of the deep rock mass. The proposed dynamic failure constitutive model in this paper analyzes the elastic resilience and the dilation deformation of the surrounding rock mass during the unloading process, and the pre-peak (elastic and internal frictional hardening stages) and the post-peak(softening and residual failure stages) stages are also taken into account. A computational software has been coded based on the dynamic explicit finite element method. The constitutive model has also been implemented into this software. The complete stress–strain relation using the new model in numerical unloading test was obtained. The sensitivity of the parameters of the dynamic failure constitutive model has also been analyzed. Based on the long-term monitored data for Zhuji coal mine, the parameter inversion of the two different sections of the piebald mudstone has been conducted with the nonlinear least square method. Further, the whole process simulation of the deformation of Zhuji coal mine has been performed with the inversed parameters. A high degree of agreement on the deformation has been achieved by the comparison between the calculated and the measured data in actual engineering project.     

复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合分析

采用等效连续介质模型和离散裂隙单独分析相结合的方法进行复杂裂隙岩体的模拟,分别给出了裂隙岩体介质和离散裂隙介质的弹塑性本构关系;首次采用四自由率全耦合法,建立了基于增量理论的复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合有限元方程组;结合算例分析,得出了若干有益于工程的结论,并进一步表明耦合分析的重要性和四自由度全耦合法的优越性。