基于GeoSMA-3D隧道建模及坍塌破坏分析

针对隧道围岩的非连续特性,结合李家营隧道工程实例,在现场岩体结构面调查和体表信息采集的基础上,利用自行开发的GeoSMA-3D程序建立了该隧道三维数值模型,搜索隧道开挖诱发的关键块体.将所建立的空间模型导入非连续变形分析方法DDA,并进行开挖过程的计算分析,模拟了该隧道在无工程措施情况下围岩坍塌破坏全过程,为工程施工和...     

岩体隧道三维建模及围岩非连续变形动态分析

结合东北地区某隧道工程,根据获取到的隧道工程岩体结构现场原始数据,应用自主开发的GeoSMA-3D系统,基于简单块体模型间相互组合构建复杂岩体模型的原理,采用不连续面网络图模拟真实岩体的几何特征,对隧道围岩的岩体结构面进行三维空间模拟,建立了该岩体隧道工程三维数值模型,并采用一种基于网格划分的块体识别方法,获得结构面划分岩体得到的所有块体。将所建立的三维数值模型选取其中某一典型断面的数据信息,导入二维非连续分析程序DDA针对二维平面内的应力及位移进行计算分析,对隧道围岩的破坏过程进行动态分析,得到的动态位移图和模拟结果对隧道工程超前预报、开挖支护具有一定的借鉴意义。     

隧道掌子面节理信息快速数字识别及稳定性分析

岩体隧道开挖过程中所获得的节理相关信息的迅速程度、准确程度将直接影响到工程的安全性。借助于三维岩体不接触测量技术,快速获取一系列真实描述岩体宏观结构的数字图像,提取节理几何形态空间分布信息,在此基础上利用自行开发研制的岩体模型空间分析系统 GeoSMA-3D ,快速识别关键块体;并运用三维离散元程序 3DEC 及其内嵌 FISH 语言建立模型,将两者的优势结合起来。研究工作面推进过程中岩体的运动形式和垮落形态,记录并且分析开挖推进过程岩体变形塌落全过程,最后尝试将数值计算结果来反馈分析指导施工。     

隧道开挖过程中关键块体快速识别及应用

岩质边坡或隧道发生破坏时,大都由于结构面强度远小于岩石强度先发生结构面的破坏进而导致了岩体的破坏,块体理论正是基于此考虑了结构面几何因素和受力因素分析出块体的稳定性。本文利用近景摄影测量信息系统和自主研发的岩体模型空间分析系统(geotechnical structure and model analysis-3D),为隧道开挖提供超前预报。以基于阈值法的图像识别为技术手段,在分析了像对采集原理、图像匹配原理和最优阈值选择的基础上,以重庆兴隆隧道工程为例,通过近景摄影测量技术迅速采集隧道掌子面的结构面图像,提取出其产状,迹长等信息然后用自主开发的基于块体理论的岩体模型空间分析系统搜寻隧道关键块体。     

基于界面元的岩体裂隙网络渗流模型中 不稳定块体预测

 以野外不连续面现场地质调查所获得的真实裂隙展布为基础,以随机不连续面三维网络计算机模拟技术为指导,建立岩体不连续面空间分布概率统计数值模型;在此基础上,将裂隙网络和界面元相结合,用水力学和几何参数来表征裂隙岩体内渗透空间结构的具体布局,建立基于界面元与裂隙网络耦合的裂隙网络渗流模型,该模型可以通过界面元法对渗流场的模拟获得岩体网络裂隙渗流的渗径,而且可以计算出水头分布的情况,进而可以搜索出所有在临空面上出露的有限块体,确定其空间几何形态和几何参数,实现不稳定关键块体自动搜索,对于评价及预测关键块体的稳定性具有重要意义。     

基于iS3平台的岩体隧道信息精细化采集、分析与服务

由于岩体工程的复杂性和隐蔽性,传统的建模和分析方法难以满足较高精度的要求。针对此问题,在基础设施智慧服务系统(i S3)平台框架内,将一系列岩体隧道工程中高精度采集与分析方法及技术进行了改进和高度集成,形成一套针对岩体隧道的精细化采集、分析与服务系统,并应用于工程实践。其中,在信息采集方面,采用三维数字照相与三维激光扫描技术,对岩体表面及节理面的几何信息进行高精度的采集与重构。在此基础上,自动化地生成岩体的数字模型,然后针对不同数值方法,使用三维网格剖分或块体切割技术,将数值分析所需要的数据,集成到依据工程信息自动生成的数字模型中,实现岩体隧道的数字数值一体化。在数值分析方面,采用基于三维非线性破坏准则的有限元连续分析模块,或者集成了三维关键块体分析与非连续变形分析(DDA)的非连续分析模块,可以针对不同的工程条件及需要,进行精细化的三维连续或非连续数值分析。将以上设备及软件模块,在i S3平台上从集成为高度一体化的系统,开发工程管理、信息展示、安全分析及辅助设计等功能,以精细化、定量化分析结果为依据,实现精细化和远程化的工程辅助决策与服务,并在多个岩体隧道工程中进行了应用。     

基于网格划分的全空间块体识别方法及其工程应用

为了解决复杂几何边界条件下有限结构面的全空间块体识别问题,提出有向面单元的几何建模概念,并将网格划分思想引入块体理论中。首先利用空间正交网格将岩体离散为若干个小单元块体,然后依次添加结构面,对单元进行接触性判断及切割,最后去除网格合并单元,形成独立的空间块体。针对块体的切割,给出了平面对任意形态块体的切割方法。针对单元块体的合并,提出了以有向边合并为基础的块体合并方法,将同向面、异向面合并方法统一。研究表明该方法具有可动态添加有限结构面、建立复杂几何模型、识别块体的形态数量不受限制、编程简单等优点。结合辽宁某隧道工程实例,利用本研究成果识别出全空间内所有独立块体,并进一步提供围岩周围关键块体的基本信息,证明了其应用于复杂岩石块体识别的有效性和优越性,为确保岩体工程的安全生产提供技术支持。     

复杂不稳定块体的自动搜索及其失稳方式判断--基于随机不连续面三维网络模型

根据随机不连续面三维网络计算机模拟技术，建立了岩体不连续面空间分布概率统计数值模型，并在此基础上，应用“有形即是有限”的分析方法可以搜索出所有在临空面上出露的有限块体，确定其空间几何形态和几何参数。利用提出的“棱线矢量”法，判断块体的可动性，并用“主动合力矢量”法，确定块体的受压面，判断块体的失稳方式，最后评价块体的稳定性。     

基于SURPAC的矿山开采稳定性FLAC3D模型与模拟

针对FLAC3D软件前处理功能不足和建模比较麻烦的问题,探索了一套利用SURPAC软件建立多网格高仿真复杂FLAC3D模型的方法。通过在SURPAC软件中建立块体模型,然后利用重新分块命令,生成多个不同单元大小的块体模型,利用约束组合分别导出其中的一部分点的数据,汇合到一起,得到一个新的含有多种网格的块体模型的数据,经过数据类型格式转换,导入到FLAC3D软件中,生成多网格高仿真复杂FLAC3D模型并进行力学模拟计算。这种方法使FLAC3D建模快捷化,并且建立的模型更符合实际形态,提高了数值模拟的准确度。该建模方法在古家台铁矿中得到应用,通过对真实的开挖过程进行力学数值模拟,得到了采场的应力、位移及塑性区分布规律。结果证明这种方法是可行的。     

节理岩体地下洞室随机块体稳定性分析研究

客观存在的不确定性使得节理岩体工程不可避免地存在风险,概率分析是进行节理岩体工程风险分析评价的有效方法和手段。本文考虑节理岩体的随机特性,在关键块体理论中应用概率分析方法并结合具体工程对岩体地下洞室随机块体进行稳定性分析和预测,统计分析节理裂隙的产状特征,搜索并计算随机块体的安全性并反演得到所需的锚固力,采用随机方法分析评价系统锚杆和衬砌对关键块体的支护效果。研究方法及成果具有创新性,可为类似岩体工程的分析研究提供借鉴。     

Spatial characterization of joint planes and stability analysis of tunnel blocks

It has been gaining credence over the past several decades that the spatial characteristics of rock joints exert detrimental effect on the stability of tunnel structures. The deterministic joint spatial distribution around the tunnel was defined by digital photogrammetry technique, which statistically provides the basis for performing Monte-Carlo simulation of stochastic joints that are hidden inside the surrounding rock. The blocks generated by the intersection between structural planes and excavation surfaces were analyzed based on the block theory and limit equilibrium. The keyblocks were identified and the corresponding factors of safety were determined. All these analysis procedures were codified into the computer program GeoSMA-3D (Geotechnical Structure and Model Analysis). The developed software satisfied the fast analysis requirements of joint plane simulation, spatial block modelling, keyblock identification and failure process illustration. The case study was performed with reference to Dabeigou Tunnel on Duolun Second-class Highway in Duolun Town, Nei Mongol, China. Failure process illustration would be useful to facilitate the practical engineers to understand the basic mechanism and select the strengthening strategies.     

The characterization of rock slope stability using key blocks within the framework of GeoSMA-3D

Considering the uncertainty and complexity of the influencing factors, the present study focused on the multi-level and multi-index evaluation system for analyzing rock slope stability. Quantitative analysis of the influence degree of the evaluation index on the rock slope stability was carried out by extension theory. The most significant factors affecting rock slope stability and the corresponding evaluation index were obtained. Further, the study presents a concept about the instability characterization coefficient of the key block, which is an important factor controlling slope stability. With this coefficient implemented into the search module of key blocks in the program Geotechnical Structure and Model Analysis-3D (GeoSMA-3D), developed by the corresponding author’s team, a further determination and visualization of key blocks were achieved. However, in many previous studies, there was no good correlation between the theoretical key blocks and the actual rock slope engineering, which led to derailment between theoretical analysis and practical engineering. Hence, this paper proposed the characterization safety factor of rock slope stability that combined the instability characterization coefficient with the weight of key blocks. The influence degree of each key block on rock slope stability was determined by the size of the instability characterization coefficient of key blocks. The weight of each key block on the slope stability was determined by combining this coefficient with the analytic hierarchy process (AHP). The key block information was applied to characterize the rock slope stability. The present study proposed a convenient and feasible evaluation method regarding rock slope stability. For the specific rock slope engineering, the significance of each evaluation index was determined and the most significant index was obtained. The determination and visualization of key blocks and the judgment of the slope stability were investigated, which verified the applicability and feasibility of this evaluation method.     

基于平均迹长修正新方法的岩体三维连通率及抗剪强度参数计算

 岩体结构面连通率是反映结构面延伸程度和连通状况的一个重要参数,是确定裂隙岩体抗剪强度指标的关键和分析边坡稳定性的前提。对三维连通率的求解方法及其在估算抗剪强度参数中的应用进行探讨,在考虑结构面迹长和迹线与统计窗边线的交角均遵循一般概率分布类型的基础上,从概率统计角度推导出窗口法中结构面平均迹长的估算公式。利用基于平均迹长修正公式的三维结构面网络模拟方法对贵阳市鱼简河水利工程导流洞进口的岩体结构面进行模拟,在其三维可视化模型的基础上求得模拟区内不同截面的三维连通率,并利用三维连通率结果估算出岩体的综合抗剪强度参数。计算结果表明：该模拟区内岩体总体连通性较好,各向异性明显,70°～80°∠20°～40°范围内的截面为危险截面,最大连通率为0.914 3,最小黏聚力和内摩擦角分别为1.135 MPa和25.7°,工程建设中应予以重视。     

不连续介质岩体隧道三维数值模拟分析

结合东北地区某隧道工程的地质条件和工程特点,考虑岩体结构面的分布,利用自行开发研制的GeoSMA1.0系统建立了三维数值模型,并对该隧道的稳定性进行了分析,为该工程的设计和施工提供借鉴.     

复杂地质条件下大埋深隧洞衬砌与围岩协同作用#br# 物理模型试验研究

围岩-支护协同作用是地下工程支护结构设计的核心问题,关乎着地下工程建设的成败。为揭示深埋隧洞围岩与支护结构协同作用机理,以滇中引水最大埋深约1512m的香炉山隧洞为研究背景工程,首次开展复杂地质条件下深埋隧洞衬砌与围岩协同作用真三维地质力学模型试验,真实再现隧洞开挖与支护的施工全过程。模型试验研究表明：1）不同地质条件下隧洞围岩的应力释放过程不同,硬岩隧洞围岩应力释放速率先慢后快,软岩隧洞应力释放速率先快后慢;2）不同地质条件下隧洞衬砌与围岩接触压力的分布形式不同,硬岩隧洞最大接触压力位于拱肩,软岩隧洞最大接触压力位于拱顶;3）衬砌与围岩协同作用包括两种应力释放机制、3个施工阶段和4种承载状态;4）不同地质条件下隧洞衬砌施作后围岩和衬砌承担的荷载比例不同,硬岩隧洞围岩平均承担约85%的荷载,衬砌约承担15%的荷载,软岩隧洞围岩平均承担约25%的荷载,衬砌承担约75%的荷载。     

连拱隧道工程地质三维建模与可视化分析及应用

工程地质条件是连拱隧道工程设计和施工必须重点考虑的因素。根据实际连拱隧洞工程的需要,采用三维地质建模技术建立起接近真实形态的工程地质三维模型,并以该模型为基础,设计了三维地质可视化分析函数,实现一系列的地质信息三维可视化剖切分析。该技术方法在隧道工程中的应用表明,地质三维可视化建模与分析技术可以满足地下隧道工程的地质分析需要,有效地提高工程设计和施工的效率与水平。     

厦门海底隧道的流固耦合分析

为了验证厦门海底隧道最小顶板厚度比设计厚度减小时隧道的稳定性。在厦门海底隧道轴线的地质剖面图上 ,选取了 4个典型剖面 ,根据设计方案 ,将隧道轴线高程比原设计升高 4m ,依据流固耦合理论 ,应用三维快速拉格朗日法进行数值分析。从隧道轴线升高 4m时 ,开挖后的应力分布、洞周位移、塑性区、孔隙水压力分布等结果 ,可以得出将设计方案的轴线位置升高后 ,隧道是稳定的。同时 ,得到一些对后续施工和其他工程有一定的指导意义的有益结论。