基于破坏接近度的岩土工程稳定性评价

基于屈服接近度概念,将塑性区内塑性应变损伤评价与其结合,提出了破坏接近度(FAI)的新定义。有关地下工程围岩和边坡稳定性的工程实例应用评价表明,该概念可以正确定量地评价围岩内各区域岩体的稳定性程度,表达破坏区、损伤区和扰动区的位置和范围,并能描述各分区岩体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;可以正确的评价边坡滑动面的剪切破坏程度,给出滑动面的位置。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。

基于破坏接近度的地铁隧道流固耦合稳定性分析

合肥地铁1号线盾构隧道下穿南淝河,施工中存在安全风险。运用FLAC3D进行了隧道盾构开挖过程的模拟,基于破坏接近度(FAI)对盾构隧道开挖过程中的岩土体稳定性进行分析。通过破坏接近度指标能够全面直观地评价隧道周围各区域岩土体的稳定性程度,定量给出损伤区和扰动区的范围。数值模拟结果表明:盾构开挖使隧道周边土体孔隙、水压力较初始值显著降低,导致了隧洞周边水力坡降增大,进而使地下水向隧洞拱顶及两侧流动,这些部位有发生涌水的可能;盾构开挖过程中,岩土体渗流场产生的渗流作用力对应力场分布产生较大的影响,在流固耦合条件下,隧洞周边岩土体FAI显著增大,部分区域已进入损伤区;在掌子面推进的过程中,当掌子面在分析断面前后2个开挖步数范围内时,断面的破坏接近度的分布变化明显,表明该范围内土体稳定状态受开挖扰动影响显著。研究盾构开挖过程中的破坏接近度分布及演化规律对施工中采取相应施工措施具有重要的指导意义。

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。

含瓦斯煤岩体破坏接近度分析及三维重构研究

为更好地揭示和表征含瓦斯煤岩体在施工中的损伤程度和破损空间形态,在围岩破坏接近度理论的基础上,推导了含瓦斯煤岩破坏接近度表达式,并开展了含瓦斯煤岩体单轴压缩数值试验;同时对单轴式样的破坏接近度进行三维重构研究,获得了破损空间形态三维图。研究结果表明:含瓦斯煤岩体破坏接近度定量揭示了弹性区的三维应力集中程度和破坏区的破损程度及其演化规律,三维重构技术直观展示了含瓦斯煤岩体的破损空间形态,可为含瓦斯煤岩体工程的设计与施工方案的动态优化提供依据。

基于破坏接近度的滑坡倾斜加载方式破坏相似性研究

为了验证倾斜加载方式导致滑坡失稳过程发生的应力场变化是否与原型相似,通过建立倾斜模型和原型滑坡的数值模型,观察破坏过程中应力应变场的相近程度,并引入基于Mohr-Coulomb屈服准则的破坏接近度函数这一概念,把每个单元的矢量信息转换为标量信息,得到2个模型的破坏接近度值相关系数,以相关系数的大小来评价模型与原型破坏过程中应力场的相似性。以千将坪滑坡为例,得出2个数值模型的破坏接近度指标变化趋势大致相同;且当折减系数为1.85,倾斜角度为[7°,8.9°]时,相关系数范围是[0.7,1.0],表明倾斜模型与原型破坏时的应力场相似,证明了倾斜加载方式能较好地重现滑坡的发生过程。

破坏接近度的定义及其应用

本文根据Ｆａｉｒｈｕｒｓｔ所提出了二维应力状态下的破坏接近度定义，导出该定义所隐含的二维应力状态下的约束条件，并称之为标准约束条件，笔者，通过该标准吵条件在三维应力状态下的扩展，给出三维应力状态下破坏接近度的定义，并结合四种常用的屈服条件，导出破坏接近度的具体表达式，本文定义的三维应力状态下的破坏接近度，适用于不同的屈服条件。

基于破坏接近度的朝阳调水工程施工支洞围岩稳定性数值模拟研究

围岩稳定性评价是地下洞室施工中的重要研究课题。针对传统数值模型研究中的塑性区表达方面的不足,提出了破坏接近度的概念,以朝阳调水工程引水隧洞3#施工支洞软岩洞段的围岩稳定性进行数值模拟研究。结论显示,通过破坏接近度云图可以发现围岩的薄弱区,进而对可能发生破坏的区域进行预估,为输水隧洞的开挖与围岩支护方案选择和参数设计提供依据。

基于改进破坏接近度的千将坪岸坡失稳机制分析

千将坪滑坡是三峡水库蓄水后库区发生的首个特大型岩质顺层滑坡。以往大量的研究认为,水库蓄水和降雨是诱发该滑坡发生的2个主要因素,但关于这2个诱发因素对岸坡失稳影响程度大小的问题仍存在2种不同的观点:(1)水库蓄水的影响大于降雨;(2)降雨的影响大于水库蓄水。为了弄清该问题,选取千将坪滑坡前缘缓倾角非连续结构面岩桥附近的岩块,开展库水浸泡对岩块强度和变形影响的三轴压缩试验;建立千将坪岸坡的有限元模型,基于流固耦合理论,采用ABAQUS软件分别对该岸坡在三峡水库蓄水、降雨及两者共同作用下岸坡的地下水渗流场和应力场进行计算;基于试验测得的岩块应力–应变关系,改进破坏接近度指标,并将其用于定量分析评价水库蓄水、降雨及两者共同作用对千将坪岸坡稳定性的影响程度。研究结果表明:受水库蓄水的影响,岩块经历库水浸泡后其弹性模量、抗剪强度会显著降低;潜在滑动面(指岸坡中后部的层间错动带及前缘的缓倾角非连续结构面)的危险程度在水库蓄水、降雨及两者共同作用的3种情况下依次增大,降雨对千将坪岸坡稳定性的影响大于水库蓄水,并且仅在水库蓄水和降雨共同作用下潜在滑动面才贯通。岸坡前缘缓倾角非连续结构面中岩桥在水库蓄水后,受库水浸泡影响强度逐渐降低,加之降雨增加了促滑段(中后部层间错动带)的下滑力,最终岩桥剪断,千将坪岸坡发生失稳。

基于破坏接近度和强度折减法的边坡稳定性评价

采用数值分析法对某高边坡开挖后的位移、应力和塑性区做了分析,指出了需要重点加固的部位。并用有限差分强度折减法对边坡的整体安全系数进行了分析,通过破坏接近度的计算对边坡非破坏区的危险程度和破坏区的破坏程度进行了评价。结果表明:采用两种方法对边坡开挖稳定性进行综合评价,既能正确定量地评价围岩内各区域岩体的稳定程度,又能给出破坏区、损伤区和扰动区的位置和范围,及滑动面的位置,并能描述岩体稳定性状态随开挖过程的演化规律,对边坡的开挖稳定性具有指导意义。

路面结构平衡的破坏接近度分析

为了优化路面结构设计,合理匹配路面结构层,提出了基于破坏接近度的路面结构平衡优化设计方法。结合某等级路路面结构和受力特点,构建了三维模型,采用Abaqus有限元分析软件,对道路路面结构在车辆荷载作用下的位移、应力、应变和塑性响应进行了分析,并计算了路面各结构层、路基处治层的破坏接近度,对比分析了破坏接近度与疲劳寿命预估、层间刚度比。结果表明基于破坏接近度的路面结构平衡优化设计方法能够很好地反映荷载作用下路面结构的平衡性。

裂缝孔隙度数值评价技术

裂缝是岩石在构造力作用下发生破裂的结果 ,岩石的破坏程度在一定程度上能反映裂缝的发育程度和裂缝孔隙度的大小。据此 ,我们建立了一套以构造为基础 ,以构造地质和岩石力学理论为指导 ,以数值模拟分析技术为手段的裂缝孔隙度的数值评价技术。文章首先介绍该技术的原理和技术思路 ,然后以GSM沙一油气藏二维裂缝孔隙度数值评价为例 ,简要介绍该技术的步骤和方法 ,并展示了所作的具体结果。

降雨入渗对边坡稳定影响的实例分析

以东江—深圳供水改造工程金湖泵站左岸边坡为例,分析影响边坡稳定的主要原因是地层岩性软弱,地区降雨量大,降雨入渗边坡后无法排出,聚集在混凝土防护层下,土体吸水软化,强度降低,导致坡面附近安全系数降低,边坡失稳。采用线弹性有限元及Mohr-Coulomb屈服准则进行土体应力、应变和破坏接近度计算,结果表明,边坡开挖后在自然状态下基本稳定,但随着降雨入渗边坡深度的增大,边坡坡面附近破坏接近度不断提高,破坏范围逐渐增大,边坡将可能由局部破坏发展为整体滑动破坏。

低孔低渗裂缝-孔隙型砂岩储层的分类评价——以川中公山庙油田沙一储层为例

公山庙油田中侏罗统沙溪庙组一段属三角洲前缘与滨浅湖交互沉积的低孔低渗裂缝-孔隙型砂岩储层。首次提出将表征储层裂缝发育程度的“岩体破坏接近度系数(η)”作为这类储层分类评价的重要指标;认为综合η值、岩石类型、粒度、储层微相、成岩作用特征、孔隙类型、孔隙度、基质渗透率、毛管压力曲线类型和孔隙结构参数等指标的分类评价体系可以较客观的反映该类储层的本质;依据该指标体系将本区沙一段储层分为好(Ⅰ类)、较好(Ⅱ类)、中等(Ⅲ类)和差(Ⅳ类)四类储层,其中Ⅲ类储层通过压裂改造有望成为较典型的裂缝-孔隙型储层,使公山庙油田沙一段储层产能进一步增加。

深埋硬岩隧洞系统砂浆锚杆的加固机制与加固效果模拟方法

系统布置的砂浆锚杆是深埋硬岩隧洞主要支护结构,锚杆与围岩组成锚杆–围岩复合结构体,使围岩的力学特性得到改善。基于岩体的莫尔–库仑(M-C)屈服准则,推导锚杆–围岩复合结构体满足M-C准则的应力条件。结合岩体劣化本构模型,提出确定锚杆–围岩复合结构体力学参数的方法。锚杆与弹性围岩和屈服围岩组成的锚杆–围岩复合结构体的力学参数确定方法不同,锚杆与屈服围岩组成的锚杆–围岩复合结构体的力学参数与围岩当前状态的等效塑性应变有关。基于此提出一种模拟隧洞开挖支护过程中系统普通砂浆锚杆加固效果的数值方法。该方法能较好地模拟锚杆支护时机对围岩稳定性的影响。最后运用该方法对锦屏II级水电站2#引水隧洞围岩稳定性进行分析,为隧洞的施工和支护设计提供参考依据。

深部巷道围岩分区破裂化数值模拟

对应变软化模型岩体的变形机理进行分析,确定了巷道围岩产生分区破裂的前提条件为岩体变形进入峰后塑性及残余破坏阶段。对地下硐室围岩应力变形状态进行FLAC数值模拟,并基于破坏接近度指标对围岩完整状态进行描述。结果表明:分区破裂化与岩体峰后特性密切相关,是应变软化模型特有的属性,理想弹塑性模型并不能产生分区破裂化;计算结果对网格精度具有依赖性,当近巷网格大小为巷道半径的1/60时,巷道围岩出现螺旋带破裂区域,产生分区破裂,而在粗糙网格下则为传统弹塑性环状对称变形;分区破裂化区域受平面内侧压力系数影响显著,分区破坏主要集中在硐室围岩应力较大的方位;分区破裂化是巷道开挖过程中二次应力场在时间和空间重分布的结果。

深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机(TBM)开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明:TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现"变形不协调"现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度(FAI)指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明:开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM在复合地层施工可采取重点部位监测预警、提前采取相应措施等手段,减少或避免卡机事故的发生。该研究成果对于指导复合地层TBM施工具有一定的借鉴和指导意义。

高地应力硬脆性围岩开挖损伤区时效性扩展案例分析——特征与机制

硬脆性围岩在开挖完成后,其强度在高应力的影响下具有明显的时间效应,这导致围岩开挖损伤区的发展也呈现出与时间相关的特征。在岩石强度时效性演化模型的基础上,以锦屏二级水电站试验洞钻孔摄像、声波、变形监测等开挖损伤区实测结果为目标函数,采用正交设计方法、最小二乘支持向量机模型、粒子群优化算法等方法,建立了考虑时间效应的LSSVM-PSO智能反演分析方法,并以锦屏二级水电站试验洞为例,研究了开挖完成后的25 d里,围岩强度在高地应力条件下的时效性演化特征,进而获得这一时段内开挖损伤区扩展过程。研究结果表明:(1)高应力地区,隧洞开挖后,围岩损伤区的主要扩展方向受地应力控制,且最大扩展方向为最小主应力方向,且破坏区(破坏接近度FAI≥2)也集中于该方向;(2)开挖损伤区面积随时间近似呈S形曲线变化,表明开挖损伤区初始发展较为缓慢,随着时间推移呈现线性增加的趋势,最后又逐渐趋于稳定;(3)开挖后第3~10 d为开挖损伤区快速增长阶段。该研究成果对高应力地区硬脆性围岩开挖损伤区时效性演化研究具有指导意义。

隧道初支合理支护时机确定方法及其工程应用

将岩体破坏接近度指标(FAI)引入隧道支护设计,明确了围岩临界支护时机判别准则.基于有限差分数值计算程序,合理考虑岩体峰后应变软化特性,建立了一种隧道最优支护时机确定方法.通过算例分析,定量探讨了表征支护时机的重要参数,从工程角度阐释了支护时机的本质意义.结果表明:岩体地质强度指标GSI由75减小至25时,支护时机提前8.32 m;岩石材料常数mi由20减小至10时,支护时机提前5.85 m;岩石单轴抗压强度σci由80 MPa减小至40 MPa时,支护时机提前3.74 m;工程扰动参数D由0增加至0.8时,支护时机提前7.44 m.将建立方法在玉渡山隧道工程中进行应用,计算出研究区段的支护时机为3.3 m,经现场监测表明该方法有效、可行.该研究成果可为隧道支护体系的量化设计提供参考.

非均质岩石单轴压缩细观模拟及破裂特征描述

岩石的非均质性对岩石的破裂形态、模式有着重要影响。本文基于莫尔库伦准则建立了非均质岩石应力-损伤模型,通过FISH语言实现岩石非均质赋参及弹性模量、内聚力、内摩擦角等参量随塑性应变弱化,讨论了不同均质度条件下岩石破裂特征及不同描述单元状态的方法,并通过前人试验数据验证了模型的正确性。主要结论如下:随着均质度的增加岩石的破裂模式由塑性向弹脆性转变;单轴抗压强度和均质度呈对数函数关系;塑性区、单元破坏接近度、损伤值都可以对岩石的破裂特征进行描述,其中破坏接近度有着较强的优越性。

强降雨特性对饱和–非饱和边坡失稳破坏的影响

在调研和总结国内典型灾害性滑坡的基础上,概化典型边坡数值模型,进行饱和–非饱和边坡的瞬态渗流场与应力场的耦合分析。结合强度折减技术进行瞬态渗流作用下边坡稳定性计算,得到边坡整体稳定安全系数,并基于ABAQUS软件实现渗流与应力耦合作用下的破坏接近度(FAI)评价方法,多角度综合探究强降雨特性对边坡失稳机制及稳定性的影响。结果表明:(1)强降雨会导致边坡临空面特别是下部土体的应力程度恶化,易使边坡出现滑流冲蚀和局部的坍塌失稳;(2)雨型对边坡孔压的时空演化、变形响应、安全系数及FAI的影响均明显,孔压和变形与雨型各时刻的雨强呈正相关关系;(3)低强度长持时降雨会渐次增加深层土体的孔压,易使边坡产生深层滑动失稳,而高强度短持时降雨易使坡趾最先失稳,之后破坏区向坡顶渐进扩展;(4)雨强与安全系数呈反比关系,当雨强由12 mm/h增大到36 mm/h时,安全系数约降低17%,且雨强直接影响边坡破坏区的破坏程度和非破裂区的危险程度,高强度的暴雨更易使坡趾出现滑移失稳。