基于屈服接近度的围岩安全性随机分析

为研究岩体自身的非均质性对围岩松动区范围的影响效应,提出一套围岩稳定性的随机性分析方法。首先将屈服接近度的相补参量视为随机变量,通过对多种岩石室内强度试验数据的统计分析,研究相补参量的统计特征,表明相补参量服从Weibull分布。其次采用随机性分析方法模拟了围岩的随机松动区,结果较好地反映了非均质围岩的损伤破坏特点。同时,详细讨论工程中岩体的力学参数及相补参量的概率分布函数即Weibull分布函数的参数对围岩随机屈服区大小的影响规律。给出由围岩松动区的深度反演求得岩体力学参数和Weibull分布函数参数的进化神经网络方法。最后应用所提出的整套分析方法对一隧道非均质围岩的安全性进行了分析。研究结果表明,这一方法简单实用,能够较好地模拟非均质隧道围岩单元屈服的随机性和屈服区范围的随机波动性,所得结果与实际相符,可为工程的施工安全预测、支护方案设计等提供重要参考。

小净距隧道夹岩力学特征分析

以深圳地铁3号线老街站—晒布路站区间盾构隧道为背景,针对小净距双孔盾构隧道中间夹岩的复杂三维受力状态,引入基于Mohr-Coulomb剪切屈服准则与拉伸屈服准则的屈服接近度函数,采用数值模拟计算和离心模型试验相结合的手段,对上下重叠和水平并行两类小净距隧道中间夹岩力学特征进行了深入研究。研究结果表明,无论是重叠还是并行隧道,其夹岩的中间部分屈服接近度值均大于两侧部分,即中间比两侧相对稳定,但两者的原因侧重点不同,前者侧重于减小应力圆"半径",而后者主要是通过应力圆"圆心"外移来相对改善夹岩中间部分的受力状态;对于城市浅埋隧道,在同等静力学条件下,上下重叠隧道夹岩的受力优于水平并行隧道。计算结果可为今后类似工程的设计、超前注浆孔的合理布置提供指导。

基于Hoek-Brown准则的隧道围岩屈服接近度分析

为了建立Hoek-Brown准则围岩稳定性评判标准,通过理论分析,推导了Hoek-Brown准则和Mohr-Coulomb准则的关系以及Hoek-Brown准则参数表征的屈服接近度(YAI)函数;通过FLAC3D建立隧道三维数值模型,编制相应Hoek-Brown屈服接近度YAIhb的程序,分析了材料参数和应力变化的影响。结果表明:①自编程序计算的YAIhb=1区域与FLAC3D计算的塑性区分布范围相同,验证了程序的正确性,并且屈服接近度能够表征各单元的屈服程度,优于塑性区判定标准。②随着地质强度指标GSI的增大,YAIhb逐渐减小,两者之间的关系采用3次多项式进行拟合的精度较高;YAIhb随岩石单轴压缩强度σci的增大而减小,采用指数方程对两者的关系进行拟合,能得到较高的相关系数;随着单元损伤的加剧,其屈服接近度逐渐增大,表征单元破坏程度增大,YAIhb和岩体损伤指标D之间符合双曲线分布规律。③最大主应力σ1增大引起YAIhb减小,两者表现出显著的线性关系;中间主应力σ2增大引起YAIhb呈现先增大后减小的趋势,可用3次多项式曲线对其关系进行拟合;YAIhb随着最小主应力σ3的增大而线性增大。

隧道下穿时地表房屋变形开裂的定量评估

城市隧道下穿时,普遍存在着地表房屋变形超限、倾斜开裂等风险控制难题,结合厦门机场路隧道下穿建筑群的工程实践,分别采用W-W破坏准则、屈服接近度模型和Mazars损伤模型,对地表房屋变形开裂进行定量的计算与评估。计算结果表明:屈服接近度模型实质为广义的塑性区,其结果为定量的房屋开裂安全度分布;Mazars损伤模型为典型的拉损伤模型,根据其损伤变量的大小,可以对应地评估房屋开裂程度。同时,分别基于屈服接近度模型和Mazars损伤模型,对隧道下穿过程进行数值模拟,二者结果均较好地反映了房屋变形开裂过程与施工过程的非线性相关性,由此实现了对房屋变形开裂全过程的量化评估与控制。研究结果显示,开裂过程的计算评估结果与现场房屋裂缝、变形实测结果一致性良好。

基于模糊聚类分析的回采巷道围岩分类与支护研究

西石门铁矿回采巷道围岩变形破坏严重,破坏形式复杂。本文通过对西石门铁矿的现场调查,得出影响回采巷道围岩稳定性的主要因素,并以这些因素为分类指标,根据模糊聚类分析原理,采用VB6.0语言建立分类程序,对西石门铁矿回采巷道围岩进行分类。在回采巷道围岩分类的基础上,本文又进行了回采巷道支护方法研究,针对不同类别的巷道围岩分别提出相应的支护方案。

岩石强度时效性演化模型

在一定的外界荷载作用下,岩石材料的强度会随时间不断降低,在工程上常表现为由于强度的弱化而导致岩体的突发性破坏行为以及岩体的长期强度等不同现象和问题。因此,岩石强度的时间效应研究对岩体工程施工安全和工程长期稳定性都具有重要的指导意义。在对大量试验结果分析的基础上,总结了岩石强度演化规律与内在机制,发现岩石强度的损失与岩石本身的固有强度、所受应力状态(屈服接近度)以及应力作用的持续时间有关,在此基础上,提出了以岩石凝聚力和内摩擦角随上述因素变化为核心的岩石强度时效性演化模型。通过对多组试验数据的模拟分析表明,提出的岩石强度时效性演化模型能很好地描述岩石强度的演化规律,可以较好地定量反映不同应力水平下岩石强度弱化过程,且物理意义明确,为岩石强度的时间效应研究开拓了一个新的思路和方法。

小净距隧道地震动力响应下的围岩应力场

针对强地震作用下小净距隧道围岩的力学特征,采用三维数值模拟的手段,并引入基于Mohr-Coulomb准则的屈服接近度函数作评价指标,对多种净距条件下隧道围岩地震动力响应特征进行了深入研究。研究结果表明,在强地震作用下,小净距隧道围岩的破坏发展规律是由边仰坡开始,再逐渐由洞口向洞身段发展;小净距隧道中夹岩的应力状态与其净距密切相关,净距越小,距洞口的距离越近,小净距隧道中夹岩屈服接近度值越大;而洞周其余围岩的应力状态仅在间距较小时与隧道间距有关,当隧道间距增大到一定程度后,不再有相关性;最后建议采用以YAI≤0.2的应力状态作为小净距隧道抗震设计的应力标准。

材料破坏准则下的屈服接近度分析与应用

对应力空间下的屈服接近度概念进行了重新定义,使其能更广泛地适用于各种材料的强度准则。同时,指出了文献中基于Mohr-Coulomb强度准则屈服接近度函数推导过程中存在的问题,对屈服接近度函数进行了重新推导与修正。在此基础上,对适用于不同材料的多个强度准则,推导了相应的屈服接近度函数,并给出了统一的表达式,以便数值计算程序的编写。最后,结合青岛市地铁3号线工程,在有限元分析的后处理阶段嵌入屈服接近度函数计算自编程序,实现对隧道围岩的可视化安全性评价。

不同应力路径下卸围压流变试验分析及模型辨识

以大岗山水电站坝基的辉绿岩为研究对象,进行σ1恒定卸围压和σ1-σ3恒定卸围压流变试验,分析2种不同应力路径下辉绿岩的流变变形特征。引入屈服接近度指标来评价卸围压流变过程中不同三向应力状态下岩样临近屈服破坏的程度,并以此作为试验曲线中等速蠕变和加速蠕变的区分标准。最后对Burgers模型进行参数变异处理。研究结果表明:在2种方式下和在卸围压过程中,岩样的横向变形都表现为侧向膨胀,但轴向变形规律并不相同:σ1恒定时轴向变形一直轴向压缩,而σ1-σ3恒定时先是有微小增大再逐渐转变为轴向压缩。这说明随着围压的不断卸载,岩体变形逐渐由弹性向塑性转变并最终破裂,线弹性理论已不再适用。加速蠕变阶段的串联黏滞系数出现了非线性变化,以此来描述加速蠕变。参数变异的Burgers模型可以描述岩体的减速、等速和加速蠕变阶段,拟合结果与试验结果吻合较好。

小净距城市浅埋隧道夹岩力学特征的数值模拟研究

小净距隧道的中间夹岩处于复杂的三维受力状态。基于单轴抗拉或抗压强度为基础的围岩力学评价指标已显不足,Von-mise等效应力虽同时考虑了三个主应力的影响,但局限于剪切屈服。为此,引入基于Mohr-Coulomb剪切屈服准则与拉伸屈服准则的屈服接近度函数用以描述夹岩应力危险程度。文章主要对上下重叠模式和水平平行模式的两类小净距隧道中间夹岩力学特征进行了研究。研究结果表明,无论是重叠还是平行隧道,其夹岩的中间部分比两侧部分相对稳定;对于城市浅埋隧道,在同等静力学条件下,上下重叠隧道夹岩的受力优于水平平行隧道。计算结果为今后类似工程的设计、超前注浆孔的合理布置提供了指导。

多年冻岩土区露天矿边坡局部稳定性探究

多年冻岩土区露天矿边坡具有特殊的地层分布,且坡表易受外环境周期性的影响而产生局部滑塌或掏蚀破坏。本文沿用含相变的温度场、渗流场、应力场耦合(THM)简化算法和理想边坡模型,探究了边坡冻融下局部损伤破坏演化过程,讨论了基于屈服接近度的局部稳定性分析评价方法的实用性,并以此研究了各因素对边坡稳定性的影响。结果表明:拉塑性区会随着季融层回冻而内移,坡体浅层有沿季冻层底冰面滑塌的可能,而坡肩内部是坡体整体安全性的受力关键,局部有效屈服区综合了拉剪破坏的性质及其区域分布。冻结温度、坡高、冻融循环次数、热膨胀系数、孔隙率对局部有效屈服区的影响程度依次减弱。其中,坡高、冻结温度、冻融次数主要导致坡体内部的损伤积累,坡角更易导致坡表的破坏,而热膨胀系数、孔隙率将同时增大坡体的破坏区与损伤区。

隧道单层衬砌设计方法研究及应用

目前,在单层衬砌设计中应用较为广泛的是基于挪威法的Q系统支护设计法,但该方法涉及的参数有6个,在施工前及施工过程中测试这些参数经验性较强,准确性不高,而且费用较高;将Q法直接移植到中国的单层衬砌设计困难较大,不适合中国国情。在此背景下,提出以屈服接近度和围岩松动圈支护理论为基础的单层衬砌设计原则和方法,并结合合武铁路大别山隧道2号斜井进行了工程实践。首先通过地质勘查得到隧道所在地区的工程地质、水文地质特征以及围岩的物理力学指标,确定隧道围岩的屈服接近度,进而提出单层衬砌支护参数及喷射混凝土的力学控制指标,完成结构的预设计;根据隧道施工过程中实测的围岩松动圈范围,运用松动圈支护理论修正设计,从而形成一套完整的单层衬砌设计方法体系。实践表明,提出的单层衬砌设计方法经济适用、对施工干扰小,适合信息化施工,且施作完成的单层衬砌结构安全可靠,具有显著的经济效益和社会效益,有较大的推广前景。

基于破坏接近度的围岩稳定性研究

结合屈服接近度(YAI)和塑性荷载指数(PLI)的概念,提出了破坏接近度(FAI)的新定义。将该指标引入到三维非线性有限元中,通过对某水电站大型地下洞室群进行计算分析,表明该概念可以正确定量地评价围岩的稳定性程度,描述非塑性区、塑性区的位置和范围,并能描述围岩稳定性状态随开挖过程的演化规律,以预估未来开挖扰动对岩体稳定性的影响。可见破坏接近度对工程稳定性评价、施工中开挖方式、开挖进尺的设计以及支护时机的控制等具有重要的意义。

基于屈服接近度的西石门铁矿巷道稳定性模拟研究

西石门铁矿矿体底板矽卡岩稳定性差,采动地压大,地压问题已成为制约该矿安全生产的关键问题。该矿曾经专门成立课题组进行卸压开采研究,方案实施后在当时取得较好效果,但随着回采深度的逐年增加,地压危害问题又凸显严重,于是需要再次进行地压控制研究。本文在此运用屈服接近度函数,结合FLAC3D建立模型进行围岩的稳定性分析,所得分析结果可为下一步的支护设计和卸压开采方案研究提供重要参考。

基于JRC-JCS模型的屈服接近度及地下工程围岩稳定性分析方法

推导出JRC-JCS非线性模型下屈服接近度的计算公式,采用数值方法编制JRC-JCS模型下屈服接近度的计算程序,并对比该程序的分析结果与FLAC3D所得的结果,探讨各个参数对屈服接近度的影响。分析表明,屈服接近度YAI JJ=1的结果与FLAC3D计算的塑性区分布范围表征的结果一致,验证了计算程序的正确性和基于屈服接近度分析获得的结果能反映非塑性区岩体的危险程度,较塑性区分布判别方法更加合理。随着节理粗糙度系数J RC和为岩体压缩强度J CS的增大,岩体屈服接近度均逐渐减小,YAI JJ与J RC的关系呈线性特征,YAI JJ与J CS的关系呈非线性指数特征。

基于模糊聚类分析的回采巷道围岩分类与支护研究

西石门铁矿回采巷道围岩变形破坏严重,破坏形式复杂。影响回采巷道围岩稳定性的主要因素是岩石强度、地应力、岩体完整性、采动影响等,以这些因素为分类指标,根据模糊聚类分析原理,采用VB6.0语言建立分类程序,把西石门铁矿回采巷道围岩分为非常稳定,稳定,一般稳定,不稳定和极不稳定等5类。针对不同类别的巷道围岩分别提出相应的支护方案。

非线性准则下节理岩体稳定性的屈服接近度分析

为了将Barton-Bandis非线性破坏准则与岩体稳定性判断标准的屈服接近度相结合,推导Barton-Bandis准则强度参数和Mohr-Coulomb线性破坏准则强度参数之间的关系,然后,通过算例分析,讨论Barton-Bandis准则参数对于节理岩体屈服接近度的影响,得到Barton-Bandis参数表征的屈服接近度YAIbb。研究结果表明:YAIbb随节理粗糙系数JRC的增大而减小,JRC越大,岩体节理面越粗糙,岩体的稳定性越高,二者的关系符合线性特征;YAIbb随节理岩体压缩强度JCS的增大而减小,JCS越大,岩体的单轴压缩强度越大,则岩体越致密,强度越高,稳定性越大,破坏的概率越小,二者的关系可用指数方程进行描述。

金华山软岩铁路隧道施工过程围岩屈服接近度分析

隧道施工过程中围岩处于复杂应力状态下,隧道围岩屈服区演化特征的确定对于围岩稳定性分析和开挖支护方案优化具有重要的意义。采用屈服接近度指标衡量围岩破坏接近程度可以合理地描述复杂应力状态下围岩的应力危险性,对Mohr-Coulomb类岩体材料的屈服接近度函数进行了相应的推导,并在非线性有限元用户子程序上编程予以实现。介绍了赣州-龙岩铁路DKl33＋095～DKl38＋237段软弱围岩单线隧道正台阶步施工方案以及湿喷纤维混凝土支护方案。为了对该隧道施工过程中隧道围岩屈服区的演化特征进行合理评价,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程中隧道围岩屈服接近度分布特征,判定了隧道台阶步施工过程中隧道围岩的稳定性。分析结果表明：该隧道施工过程中围岩破坏区主要发生在下台阶步施工过程中;屈服接近度指标比传统的塑性区分布提供的信息更加丰富,有利于工程技术人员定量地评价隧道开挖支护方案。

基于Ottosen破坏准则的混凝土结构损伤定量预测

城市地铁隧道下穿建筑物时,建筑物沉降的控制标准一直是难以解决的基本问题。结合青岛地铁隧道下穿建筑物的工程实践,首先以地表沉降实测数据为基础,利用随机介质理论方法反分析地表移动参数,包括沉降槽影响范围以及断面收缩率;并利用所得的参数对下穿建筑物的沉降进行预测。其次,基于Ottosen和过-王两种混凝土破坏准则,推导了适用于混凝土材料的屈服接近度模型。通过有限元计算,得到了建筑结构在沉降影响下的应力分布情况,结合Ottosen和过-王破坏准则的屈服接近度函数得出了建筑结构的损伤分布范围和演化情况。由此实现了对不同沉降量影响下建筑结构开裂损伤的量化评估与控制。研究结果表明:利用计算方法预测的建筑结构开裂损伤分布情况及演化情况,对地铁隧道穿越建筑物现场施工控制标准的制定具有重要的参考价值。

屈服接近度在边坡失稳概率等级评价中的应用

首先介绍了边坡失稳概率等级判定准则,总结并分析了概率等级的常用判定方法以及它们的优缺点。其次,结合具体分析实例,针对目前常用的概率等级判定方法所存在的不足,将屈服接近度应用到边坡失稳概率等级评价中,并将分析结果与安全系数法和蒙特卡洛法所得结果进行了对比分析。结果表明:与安全系数法相比,基于屈服接近度的概率等级判定法能为概率等级的判定提供更为准确的依据,同时也可以为制定具体的边坡失稳控制措施提供依据,而与蒙特卡洛分析法相比,它具有耗时短、效率高的特点。本文研究为类似工程的分析提供了新的角度,具有一定的参考价值。