不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。文中模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。

不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟结果表明:当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了"狗耳"形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。

基于圆形断面的隧道温度场有限差分计算模型

除了少数圆形隧道外,大部分山岭交通隧道断面采用马蹄形或端墙式等形状。在隧道温度场的预测中,圆形断面模型能否代替马蹄形等实际隧道模型,其适应性值得研究。应用基于空气-衬砌-围岩的对流-导热耦合作用控制方程的有限差分方法,建立圆形断面模型对东北寒区马蹄形隧道温度场进行计算,并与现场实测温度场进行对比。结果表明：1）圆形断面隧道模型有限差分计算方法克服了通用有限元软件建模复杂、对硬件要求高的弊端,考虑了隧道内风流速度和入口风流温度的影响,在隧道温度场的预测计算中能够满足工程使用要求。2）隧道内风流速度和入口风流温度对隧道温度场影响较大。本文算例中,入口风流温度每升高10℃,二次衬砌表面温度升高约7.2℃,增幅均匀;从1~5 m/s,洞内风流速度每增大1 m/s,二次衬砌表面温度降低的幅度为6.6、2.7、1.5、0.9℃,降幅越来越小。

深埋圆形隧洞板裂化弧形岩板凹曲变形的论证

以锦屏二级水电站TBM开挖的圆形断面施工排水洞为例,首先根据围岩实际破坏特性明确指出围岩劈裂后产生弧形岩板的客观存在性,然后提出其存在发生凹曲变形(指其发生弯曲方向指向隧洞外部、半径减小即曲率增大的弯曲变形)的可能性,最后从力学分析与数值试验两个方面对弧形岩板发生凹曲变形的可能性进行了论证。论证显示:对处于垂直地应力与水平地应力不相等条件下的深埋圆形隧洞,弧形岩板可以发生凹曲变形,发生的控制因素是两向应力差对圆形隧洞产生的垂直方向压缩、水平方向拉伸的压扁作用。弧形岩板凹曲变形的论证对今后深入认识深埋圆形隧洞完整或较完整硬岩动力破坏的发生机制提供了一条新思路。

弹性-脆性-损伤模型及其在岩石局部破坏研究中的应用

在弹性-脆性-损伤本构模型中,采用了由线性的莫尔-库仑剪切屈服函数和非线性的虎克-布朗屈服函数复合后的屈服函数,以适应高压应力条件下岩石变形及破坏规律的研究.为了考虑脆性岩石在应力突然跌落过程中的弹性模量的变化,引入了一个损伤因子,以描述损伤的程度.此外,还考虑了围压对弹性模量的增强作用.对平面应变压缩条件下的矩形岩样的破坏过程进行了计算,并与接近脆性的带拉伸截断的应变软化莫尔-库仑模型的结果进行了对比,发现了它们之间的差异.又对静水压力条件下的平面应变模型开挖圆形巷道之后的破坏区、轻微的剪切及拉伸岩爆区和体积模量的分布进行了计算.研究发现,当考虑围压对弹性模量的影响后,体积模量的高值区位于V形坑的尖端,而V形坑内部的损伤程度随着损伤因子的增加而增加.如果不考虑围压对弹性模量的影响,V形坑尺寸大、较钝.研究结果表明,不同岩石脆性破坏过程中的损伤程度及围压对弹性模量的影响程度不相同是导致V形坑形态差别的原因之一.

基于摩尔-库仑模型的非线性本构模型的开发及其在应变局部化中的应用

以FLAC中的Mohr-Coulomb(M-C)本构模型为基础,在C++环境下实现了考虑拉伸截断的非线性本构模型的二次开发。针对应力及位移的分布规律,将理想弹塑性的Hoek-Brown(H-B)本构模型、M-C本构模型及自定义本构模型的数值解及H-B本构模型的理论解进行了比较,验证了自定义本构模型的正确性。采用弹-脆-塑性的自定义本构模型,以先加载,后挖洞的方式模拟了圆形巷道围岩的应变局部化过程,在计算模型的边界条件对称及均质本构参数的条件下,模拟出了4个对称的V型坑,模拟结果与静水压力条件下岩爆的现场观测及试验结果吻合,而采用接近脆性的H-B应变软化模型所得结果的对称性较差。

圆形巷道围岩剪切带形成过程的能量释放模拟

利用FLAC模拟不同侧压系数条件下圆形巷道围岩破坏过程中的能量释放规律,着重考察V形坑及短剪切带形成过程中的剪切破坏的单元数及应变能释放率的演变规律。在计算中,采用初始化模型内部正应力的方法,利用应变软化的本构关系,采用"先加载,后挖洞"方式。模拟结果表明,当剪切破坏单元仅位于巷道的表面上时及深入围岩很浅时,剪切应变能释放率的值很低,呈"脉冲式"及"振荡式"特点;当短剪切带形成后向围岩中传播时,其呈"激增式"特点。对本文模型和传统的轴对称模型的差别进行了讨论。在本文的内圆外方的模型中,剪切应力尽管没有初始化,在加载后也会存在,因此不属于轴对称模型。剪应力的存在及变化是V形坑及短剪切带发生及发展的主要因素。侧压系数的提高使剪切应变能释放率的峰值提高,两种能量释放现象提前,破坏单元数提高。

环向切缝聚能管在隧道掘进中的试验研究

为研究环向切缝聚能管的实际应用效果,在隧道现场开展了环向切缝管的掏槽爆破试验和掌子面中部增设超深孔的聚能管爆破试验。结果表明环向切缝聚能管能够增加掏槽进尺和提高炮孔利用率,且环向切缝的纵向间距为3~4 cm时效果最优;在环向切缝聚能管试验基础上,进行了加设超深中间孔试验,结果显示加设超深中间孔,可进一步提高0.13 cm掏槽爆破进尺和1%炮孔利用率,且中间超深孔采用MS1段雷管起爆时的掘进效果更优,但与此同时增大了周边岩体的振动速度。试验验证环向切缝管聚能用于隧道掘进爆破的良好应用效果,为环向切缝聚能管在隧道掘进中的推广应用积累了宝贵经验。

不同侧压系数条件下圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了水平及垂直方向围压不同(非静水压力)条件下的圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟分为3步:首先,将两个方向压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用FISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,当水平与垂直方向压力差较小时(或侧压系数较小时),围岩中出现了"狗耳"形的V型坑,岩爆之后围岩能保持稳定。当侧压系数适中时,可以相继观察到V型坑和U型坑(或"平底锅"形坑),岩爆之后围岩仍然是稳定的;当侧压系数较大时,围岩中先产生V型坑,然后是U型坑,之后由于剪切带相互贯通,形成了"鱼鳞"形的破坏区域,它们位于巷道顶部之上和底部之下,这将造成围岩的失稳。然而,在巷道两侧未观察到破坏现象。

扩容角对圆形巷道岩爆过程的影响

利用FLAC模拟了不同扩容角时圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化—理想塑性行为。文章的模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的FISH函数,开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态。模拟结果表明,随着扩容角的增加,剪切带变宽,岩爆坑变深,破坏单元数目增多,破坏区变大。当扩容角较低时,高剪切应变集中于"狗耳"形岩爆坑位置,剪切带与巷道周边切线之间的夹角较大;当扩容角较高时,高剪切应变集中于巷道周边的一些位置上,剪切带与巷道周边切线之间的夹角较小。该研究结果与Roscoe,Arthur理论相符。

圆形巷道围岩的环向应力及发生岩爆单元分布的数值模拟

利用FLAC模拟了不同水平方向压力(小于竖直方向压力)及岩石峰后不同脆性条件下的圆形巷道破坏过程。岩石服从莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。监测了模型中第1象限对角线上的单元环向应力分布及演化规律。根据徐林生和王兰生提出的环向应力岩爆判据,判断模型中各单元是否发生岩爆。模拟结果表明:当竖直方向压力一定时,随着水平方向压力的增加,V形坑的顶点和巷道中心的连线与模型水平轴的夹角,由小于45°向接近45°发展;同时,巷道围岩中发生破坏的单元数及发生岩爆的单元数均增加,环向应力的峰值增大。随着岩石峰后脆性的增强,剪切带趋于明显,容易汇合形成V形坑;同时,巷道围岩中发生破坏的单元数及发生岩爆的单元数均增加,环向应力的峰值向围岩内部移动。

孔隙压力条件下圆形巷道围岩的应变局部化数值模拟

利用FLAC模拟了不同孔隙压力及围压条件下圆形巷道围岩的应变局部化过程。在计算中,采用了应变软化本构关系及"先加载、后挖洞"的方式。模拟结果表明,当围压增加到一定程度后,孔隙压力较低或等于零时,在围岩中出现了V形坑或"平底锅"形坑,这与开采深度达到一定后,无瓦斯或低瓦斯矿井中的岩爆现象类似;当围压增加到一定程度后,孔隙压力较高时,在围岩中出现了多条平行裂纹及多个不规则的狭长薄片,破坏区的外轮廓类似梨形,这与开采深度达到一定后,在高瓦斯矿井中煤和瓦斯突出后形成口小腔大的孔洞现象类似。

不同尺寸的圆形隧洞剪切应变局部化过程模拟

利用FLAC模拟了两个不同直径圆形隧洞的剪切应变局部化过程。为了模拟隧洞开挖,利用编写的FISH函数删除隧洞内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。本文的模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直至达到静力平衡状态;然后,利用编写的FISH函数,开挖隧洞;最后,计算重新开始,直至达到静力平衡状态(对于小孔隧洞)或者塑性流动状态(对于大孔隧洞)。模拟结果表明,多个"狗耳"形或V形坑在小孔隧洞周边附近产生,最终,围岩处于平衡状态。这一结果与陆家佑和王昌明(1994)的实验结果及许多现场观察结果一致。对于大孔隧洞,由于在围岩中出现了多条剪切带,因而隧洞的整个断面均遭到了破坏。这一现象与现场观察到的猛烈破坏现象类似。隧洞的剪切应变局部化受隧洞尺寸的影响。

弹性模量依赖围压的圆形洞室围岩破坏行为数值模拟

在考虑拉伸截断及非线性屈服准则的自定义本构模型中,又考虑了弹性模量(弹模)受围压的影响,模拟了两种网格、不同本构模型及加载方式条件下的洞室围岩的破坏行为。在第1种网格中,洞室围岩被剖分为辐射网格,采用"先挖洞,后加载"的方式及理想弹-塑性本构模型进行计算;在第2种网格中,洞室围岩被剖分为矩形网格,采用"先加载,后挖洞"的方式及弹-脆-塑性本构模型进行计算。计算结果表明,对于第1种网格,随着弹模的围压影响系数的增加,洞室围岩的应变、位移及塑性区半径均有所减小,被监测单元的环向应力的峰值有所降低,不同本构模型的计算结果的差别逐渐显现。对于第2种网格,当弹模的围压影响系数较低时,围岩中形成了4个对称的V形坑,随着弹模的围压影响系数的增加,V形坑的个数及尺寸明显减少,这可由洞室围岩的应力、位移及剪切应变增量均有所减小得到解释。

小断面马蹄形和圆形洞室开挖技术在狮子坪水电站的应用

在狮子坪水电站引水隧洞CV标洞室开挖中,采用超前探孔、分层开挖和超前注浆管棚支护方法,并对不良地质洞段采用“短进尺、弱爆破、勤观测、强支护”施工工艺,加快了工程进度,为工程顺利施工奠定了良好的基础。

侧压影响下圆形洞室岩爆双轴物理模拟试验研究

为研究侧压影响下圆形洞室岩爆机制,采用双轴加载装置对含孔洞红砂岩试样进行了物理模拟试验,期间采用高速相机观测了孔洞破坏全过程。研究结果表明:岩爆过程可划分为平静期、剥落期、屈曲期和岩爆期四个时期;洞壁垂直起裂应力和岩爆V型槽破坏深度均随侧压增大而呈线性增大趋势。侧压主要从两方面影响岩爆发生:一是影响洞室破坏机制,当侧压较低时,洞壁垂直方向起裂应力小、水平方向应力梯度小,以拉伸破坏机制为主,破坏范围小,而侧压较大时,洞壁浅部区域破坏机制与低侧压时类似,但洞壁深部区域由于水平应力增加,受力类似三轴压缩,以剪切破坏机制为主,破坏范围大;二是影响洞壁能量积聚释放特征,由于侧压增大,平静期持续时间增加,而破坏期持续时间减小,造成洞壁破坏时单位时间内能量释放率增加,岩爆发生更加剧烈。

S型空间曲线圆形顶管管道应力分析——以宁波市电力隧道顶管工程为例

为探索顶管在S型曲线顶进过程中管道结构荷载变化,以宁波电力顶管隧道工程为背景,结合施工参数对管道环向、纵向钢筋应力和管土接触应力的影响进行实测分析,建立三维数值模拟进行对比,同时采用多工况模拟进行拓展分析。分析结果表明:1)环向钢筋应力分布不均匀且受转弯影响较小,受注浆压力影响较大,管顶和管底外侧受拉、内侧受压,管腰则相反;纵向钢筋应力主要受顶力影响,在S型曲线上管腰应力交替波动,管底内外侧均受拉,其余部位外侧受拉、内侧受压。2)顶管转向产生不均匀的管土间隙,使注浆压力不均匀,纠偏使管道处于泥浆套的右下方,实测管土接触应力大小为管道左侧>管顶≈管底>管道右侧,模拟管土接触应力与实测数据有着相似的变化趋势,应力分布不均匀,且管顶与管底受转弯影响较小,管腰受转弯影响较大。3)拓展模拟得出,管道埋深和坡度较大时,管顶和管底管壁应力变化尤为显著;适当增加注浆压力,可缓解管壁应力不对称、不均匀现象;水平纠偏时纠偏程度不宜过大,避免产生管道应力集中的现象;增大顶力不能使应力重分布,且纵向应力增加不大。

六圆弧蛋形断面无压隧洞水面线解析计算模型

六圆弧蛋形断面形式复杂,水力要素为分4个区间给出的超越方程,用常规方法完成水面线计算不但存在误差累积而且计算工作量大、效率低。依据优化拟合理论,以标准剩余差最小为目标函数,在工程适用参数范围内,经拟合计算获得了由一个简化通用算式替代原积分中的分段且不可积函数(最大拟合误差仅为1.53%),不但实现了由差分逐断面推算改为直接积分获解,而且由于正、负拟合误差的相互抵消,使最终计算成果的精度进一步提高。利用该近似公式完成六圆弧蛋形断面隧洞水面线计算,可使求解过程简化,工作效率明显提高,具有实用推广意义。

平台式通信单管塔体形系数风洞试验研究

平台式通信单管塔高度一般30m^50m,平台、通信天线及设备所承担风荷载的精确测算对于通信单管塔设计的精细化具有重要意义。对5种平台式单管塔的刚体模型进行风洞试验,得到了作用在模型上的风荷载,并推导得到了体型系数的调整系数。成果已纳入行标,其应用可显著改善平台式通信塔经济性,同时也可提升存量塔的天线挂载能力,现已广泛应用于4G和5G网络建设。

基于CFD的750kV变电构架单钢管避雷针结构绕流分析

采用Fluent软件,对750kV变电构架单钢管避雷针结构进行了模拟风场下的绕流分析,获得了避雷针各节段在设计风速下的绕流特性、涡脱现象以及体型系数。分析结果表明:随着钢管直径的减小,避雷针绕流的涡脱现象增强,体型系数变大。设计风速下避雷针各节段体型系数数值模拟值与规范取值相差最小为4%。在750kV变电构架单钢管避雷针结构设计中,当钢管直径小于150mm时,为保证结构安全和正常使用,应对结构进行风振动力响应分析。