基于能量判据的盐岩库群整体稳定性分析方法

 针对能源储备地下库群整体稳定性评价,发展考虑有限元强度折减法的变形稳定理论,建立基于K-?E关系曲线的库群整体稳定性和破坏的关键判据,其中,K为强度折减系数,?E为塑性余能范数。塑性余能范数是不平衡力的范数,其大小表征库群整体稳定性;不平衡力明确展现库群失稳破坏的部位和模式。研究单储库、双储库、多储库以及金坛盐矿油气储库群的整体稳定性和失稳破坏演化规律。考虑洞径、洞距、夹层、内压、失压和布置方式等多种因素的影响,从而确定最大洞径,最小洞室间距以及库群最小稳定内压和最优布置方式。研究表明,变形稳定理论为库群整体稳定性评价和失稳破坏分析提供了一套实用而有效的理论和方法.     

地下盐岩储库群临界间距与破损分析

 为研究地下储库整体稳定性和损伤破坏规律,提出基于变形稳定理论的地下储库群稳定性判别方法。将强度折减系数K和塑性余能范数ΔE的关系曲线作为储库整体稳定性和破坏的关键判据,用不平衡力展示失稳破坏的部位和模式。建立以屈服函数作为损伤控制变量的分析方法,并用于研究储库不平衡力与位移的关系。研究双储库的临界间距、破坏模式和埋深对储库稳定性的影响,分析单储库洞周围岩损伤对不平衡力的作用。研究结果表明,用不平衡力和塑性余能范数来定量评价地下储库群的稳定性是合适的,基于屈服函数的破损分析可为岩石进入塑性阶段后的力学行为研究提供新的思路。     

基于强度折减法的盐岩地下储库腔群安全稳定性研究

将强度折减理论引入到盐岩地下储气库库群的安全稳定性研究中,提出库群失效破坏的临界标准。静力分析以塑性区贯通作为失效破坏临界判据,长期流变分析中失效破坏的临界判据包括塑性区贯通以及腔体体积收缩达到极限值。腔群整体安全系数计算通过搜索折减系数F,将岩体力学强度参数按F进行折减,使模型计算结果正好达到库群失效破坏的临界标准来实现。以金坛盐岩地下储气库为例,利用FLAC3D软件建立库群数值模型,根据强度折减理论对其进行静力分析和长期流变分析,获得不同条件下的库群整体安全系数。计算表明：静力分析中,随着折减系数的不断增大,腔周塑性区不断发展,腔群的整体安全系数为2.25;长期流变分析中,随着折减系数的增大,储库腔群的主要破坏因素由体积收缩逐渐转变为塑性区的发展贯通,在与静力分析相同的数值模型及内压条件下,库群运行50 a的整体安全系数为1.83。同时,探讨安全系数同矿柱间距、压强工况以及库群破坏模式之间的关系,为类似盐岩储气库库群安全运营和稳定性评价提供科学依据。     

岩盐地下油气储库群稳定分析及连锁破坏的地质力学模型试验

层状盐岩中油气储库群的整体稳定及其连锁破坏机制的研究对油气储库的安全运行有着及其重要的意义。采用小块体和低强度黏接剂建立地下储库的地质力学模型,以小块体来模拟岩体的变形特性,块体之间的低强度黏接剂模拟岩体的强度特性。泥岩夹层采用脱水石膏薄片模拟。模拟四洞室储库群在不同压强下的注采循环过程。通过埋设在模型内部的位移计和应变片自动跟踪监测洞室群及基础的位移和应变随注采压强的变化规律,研究采气方式、内压大小和泥岩夹层对储库群整体稳定性的影响。结果表明,单溶腔采注气对洞室群稳定性和连锁破坏有显著影响,泥岩夹层对洞群稳定影响很小。     

基于变形加固理论的盐岩库群时空演化分析

 针对能源储备盐岩库群长期稳定性评价,将弹–黏弹–黏塑性损伤模型引入到变形加固理论,考虑时效变形和损伤演化,发展考虑时空演化的变形加固理论,建立基于T-?E关系曲线的库群长期稳定性评价和破坏时空演化的关键判据,其中,T为时间,?E为塑性余能。塑性余能是超屈服力的标量范数,其大小表征库群长期稳定的总体演化趋势;超屈服力是非平衡时空演化的内在有效驱动力,明确展现库群时效变形,损伤演化及破坏的部位和模式。研究双储库以及金坛盐矿油气储库群的长期稳定性和破坏时空演化规律。研究表明,考虑时空演化的变形加固理论为储库群长期稳定性评价和破坏时空演化分析提供一套实用而有效的理论和方法。     

盐岩地下储气库群间距数值计算分析

 为确保储气库群的安全性及使用功能，各储存库之间应该保证有足够的距离。盐岩储库群地质条件及运行工况复杂，材料参数变异性强，随机特性对结构安全性影响较大。从稳定性和密闭性两方面出发，以莫尔–库仑准则和损伤扩容准则作为主要失效准则，建立两腔储库群数值计算模型，计算不同储库间距和运行内压下塑性区及损伤扩容区分布。采用响应面法，结合蒙特卡罗方法计算储库群腔周矿柱单元失效概率。结果表明，正常运行状态下，随储库间距减小，损伤扩容区范围明显增大，塑性区范围及腔周矿柱单元失效概率计算结果均明显增大，尤其在低压时更可能产生损伤连通区。对于运行过程中存在的注、采气不同步情况，随着储库间距的增大，压力差对腔周矿柱单元失效概率的影响逐渐减弱。根据稳定性和密闭性分析结果，建议储气库最小间距为2D。     

数字照相量测在大型洞群模型试验中的应用研究

地质力学模型试验和数值模拟方法是研究深埋、高地应力条件下大型地下洞室群围岩稳定性状况的重要方法。以双江口水电站地下洞群模型试验为研究对象,为解决洞周边墙关键点微小位移的量测问题,通过在洞周表面布置人工量测标志点和全程数字图像采集,应用PhotoInfor图像分析软件系统对洞室拱顶及边墙收敛位移进行了计算分析。获得了洞室加载与开挖过程中位移的变化过程与规律曲线。同时,利用FLAC3D软件模拟了洞群围岩的稳定性状况。研究结果表明:在大型洞群模型实验中,数字照相量测能够识别0.02 mm以下的微小位移;数值计算结果与照相量测结果规律基本吻合;数字照相量测弥补了三维模型试验中传统预埋量测仪器而破坏模型整体性的缺点,能够广泛应用在岩土工程试验之中。     

大型洞室群稳定性分析与智能动态优化设计的数值仿真研究

 为实现数值仿真计算结果能准确反映大型洞室围岩实际力学行为,结合锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室群稳定性分析,在阐述大型地下洞室群数值仿真计算要点基础上,首先重点从岩体本构模型识别和力学参数识别2个方面详细介绍如何实现数值仿真计算的正确化。采用考虑空间分布协调的多元监测信息的6次岩体力学参数跟踪识别,获得锦屏二级地下厂房岩体的等效力学参数,从而通过参数反分析的方法在一定程度上证明岩体等效力学参数具有相对稳定性和可识别性。同时,结合数值模拟展现出的围岩应力、变形、塑性区等方面计算结果与工程岩体的具体地质条件和洞室群结构特点,论述锦屏二级水电站地下厂房上游高边墙变形较大、下游侧拱围岩与喷混凝土破坏、母线洞环状开裂、交叉洞口局部塌落等洞室围岩的变形与破坏机制。最后,结合锦屏二级地下厂房枢纽洞室群稳定性分析与实践的研究认识,对大型地下洞室修建中诸如结构面密集的高边墙支护问题、围岩应力集中区支护问题、工程区地下水对围岩稳定性影响等问题进行论述,并探讨如何通过数值仿真计算、现场监测与经验丰富的专业人员的有机结合来实现大型地下洞室群稳定性设计的科学化。     

龙滩水电站地下洞室群施工顺序及稳定性分析

地下洞室群的合理开挖方案对于围岩的稳定性和减少支护成本有着极其重要的意义.结合龙滩水电站地下洞室群,应用快速拉格朗日法FLAC3D对设计院方案、施工方方案以及根据时空变载原理确定的3种不同开挖方案进行了稳定性分析,提出了较优的可变更的施工顺序,为施工设计和现场施工提供了参考依据.     

以二滩工程为背景的洞群开挖系统分析

采用三维有限差分FLAC3D程序,以二滩工程地下洞群的结构形式为背景,考虑了几种主要不同因素的影响对围岩稳定性进行了大量计算工况的准三维数值模拟。对毛洞开挖时主厂房边墙关键点的最大水平位移和主厂房的塑性区进行了系统分析,得到若干规律性结果,可供大型地下洞室群稳定分析时作为参考。运用本文提供的方法对八个大型工程的位移做了预测分析,表明此方法的有效性。     

岩体变形加固理论及非平衡态弹塑性力学

完善了基于不平衡力的变形加固理论,建立起严格的理论基础。指出对于给定的外荷载,结构的工作区域可能是弹性区、稳定弹塑性区或非稳定弹塑性区,结构在非稳定弹塑性区需要加固力维持稳定。经典弹塑性理论只适用于弹性区和稳定弹塑性区,变形加固理论的理论基础是非平衡态弹塑性力学,它是经典弹塑性理论的增量延拓,适用于非稳定弹塑性区。结构在非稳定弹塑性区服从最小塑性余能原理,该原理要求在给定外荷载的情况下,结构自承力最大化而加固力最小化,该理论为新奥法施工技术提供了严格的理论依据。指出潘家铮最大最小原理就是最小塑性余能原理在结构极限状态的特例和推论。最后给出了变形加固理论在溪洛渡高拱坝建基面优化设计上的应用。     

白鹤滩高拱坝坝趾锚固研究

 高拱坝坝趾区域是加固设计的重点关注区域。为了对其锚固进行研究,进一步阐述基于变形加固理论的高拱坝坝趾锚固机制。给出坝趾锚固区域不平衡力的计算方法和坝趾锚固的基准状态。将这一机制应用于白鹤滩高拱坝坝趾锚固数值分析中,得到锚固所需的最小加固力和最优锚固角,并分析坝趾不平衡力分布规律的原因。同时,对白鹤滩高拱坝进行大比例尺(250∶1)下的地质力学模型试验研究。通过对加载过程中的位移、应变和开裂的监测和分析,得出坝趾区域随荷载增加过程的破坏规律。通过对地质力学模型试验与数值分析结果的对比分析表明,两种研究方法的结论是相一致的,白鹤滩高拱坝左岸坝趾较右岸坝趾更为薄弱。研究结果表明,变形加固理论为坝趾锚固分析和评价,提供科学的理论基础和实用的分析方法。     

三维弹塑性有限元计算中的不平衡力研究

研究了弹塑性计算中不平衡力的性质 ,揭示了它和加固力、结构稳定性的密切关系。研究表明 ,对任一迭代步 ,只要施加一个反向不平衡力 (加固力 ) ,结构就是稳定的。可以用总余能范数来衡量弹性试应力场和调整后应力场的偏差 ,弹塑性本构关系要求该总余能范数取最小值 ;不平衡力就是两应力场差值在结点上的集中体现 ,故在总余能范数的意义上 ,按弹塑性本构关系确定的不平衡力或加固力是最小的。弹塑性计算确定的加固力和真解相比偏于安全。拱坝计算实例表明 ,不平衡力分析对分析结构稳定性、指导加固设计有益。     

杨房沟水电站地下厂房围岩稳定分析

杨房沟水电站地下厂房是典型的大跨度、高边墙地下洞室群,工程区地质条件较复杂,高边墙及洞室间岩柱的稳定性是洞室设计的关键。根据地应力测试数据,采用边界位移条件回归方法,构造出厂区初始地应力场。采用FLAC3D软件对洞室群围岩稳定进行计算分析,获得洞周围岩变形与应力特征、塑性区分布及支护结构的受力状态,对地下厂房洞室群围岩稳定性做出评价,为洞室设计提供了科学依据与技术指导。     

软岩冻融损伤的水-热-力耦合研究初探

冻融力学研究正温、负温环境交替变化对材料的物理力学性质的影响。由于软岩为强度低、孔隙度大、胶结程度差、含有大量膨胀性粘土矿物的松散、软弱岩层。因此,软岩的水-热-力耦合不是一个简单的过程。初步提出了软岩的水-热迁移机理,进而提出了软岩水-热-力耦合的基本数学模型。最后用ANSYS软件模拟了隧道围岩温度场与应力场,得到了隧道围岩冻胀力的分布趋势。     

岩石边坡动力稳定安全系数的块体单元法分析

 将动力分析的块体单元法应用于岩石边坡地震稳定时程分析。将黏弹性人工边界条件的思想与块体单元理论相结合,建立块体系统的人工边界条件,用以模拟地基的弹性恢复能力和地基对散射波能量的吸收,从而消除波动在计算区域边界上的反射。黏弹性边界具有稳定性好,易于与计算程序结合的优点。通过动力计算所得的块体加速度计算块体的惯性力,并由此判断块体可能的滑动模式,进而根据滑动模式将惯性力分解为块体滑动力和垂直于滑动方向的作用力,由此作用力计算块体的抗滑力。块体抗滑稳定安全系数即为抗滑力与滑动力之比,从而可以得到地震过程中块体稳定安全系数时程曲线。小湾水电站进水口边坡算例体现了该方法的工程应用能力。     

拉链柱支撑钢框架结构振动台试验研究

为研究拉链柱支撑钢框架结构的抗震性能并对设计方法进行验证,完成了一个3层单跨1∶4缩尺比例的拉链柱支撑钢框架结构模型在24个地震作用工况下的模拟地震作用振动台试验。通过试验,得到了结构的动力特性、层间位移响应、加速度响应以及各结构构件的受力状态等。结果表明,8度多遇及设防烈度地震作用工况下,结构基本未进入塑性,试验模型振动时以第1阶模态振动为主。超9度罕遇地震作用工况下,底层支撑失稳明显,顶层支撑未见失稳。底层受拉支撑的最大轴拉力接近屈服轴力,受压支撑的屈曲后承载力约为支撑稳定承载力的30%,表明由支撑失稳产生的竖向不平衡力按受拉支撑的最小屈服承载力和受压支撑的最大屈曲承载力的30%计算是可行的。拉链柱主要通过受拉传递因支撑失稳产生的竖向不平衡力。因变形协调关系,被支撑梁可以承受一定的竖向不平衡力,在拉链柱未屈服的前提下,一般下层被支撑梁承受的竖向不平衡力要高于上层的。总体上,各构件的受力状态及传力路径与设计初衷基本一致,结构体系在模拟地震作用振动台试验中表现出了良好的抗震性能。     

用不平衡推力法快速计算边坡的稳定因数

不平衡推力法是我国广泛应用的一种边坡稳定性分析方法,有隐式稳定系数法和显式稳定因系数法两种。隐式法通常采用试算法或迭代法,计算效率不高。而非线性规划的广义简约梯度法是解决约束最优化问题的最有效算法之一,采用广义简约梯度方法来计算不平衡推力隐式稳定因数,计算过程可在Excel中实现,计算方便、高效,非常适合工程人员使用,值得在工程应用中推广。