基于UDEC离散元法的隧道塌方特征分析

UDEC离散元法通过对块体大变形运动进行循环迭代计算,可以较大程度的模拟隧道实际塌方情况。以子尹隧道塌方事故为工程背景,采用UDEC法对该隧道塌方过程进行模拟,通过与实际塌方情况的对比,验证了UDEC离散元法模拟隧道塌方的正确性;通过UDEC离散元法分别模拟了不同埋深、不同岩体结构和不同围岩级别的隧道塌方过程,分析了隧道塌方特征。研究表明:埋深主要影响拱顶塌方的范围;岩体结构(如节理裂隙)较大程度的影响塌方的形式;围岩参数同时影响塌方范围和塌方形式。

干湿循环作用下公路边坡稳定性离散元分析

针对边坡体内部含软弱夹层及潜在裂隙的岩质边坡,通过UDEC离散元软件构建边坡数值分析模型,重点分析不同干湿循环条件下边坡的稳定性状态变化。首先利用主成分分析法对影响边坡稳定性的多种因素进行筛选,并根据强度折减法的原则,通过对粘聚力、内摩擦角的参数弱化实现边坡稳定性分析。由室内不同干湿循环条件下的三轴压缩试验,确定抗剪强度参数劣化规律,并根据UDEC离散元模型分析边坡的安全系数变化规律,对边坡的安全状态进行定性、定量分析;根据抗剪强度参数与边坡安全系数的三维变化图,可知:相比于内摩擦角,干湿循环对粘聚力的损伤劣化对岩质边坡的稳定性影响更大。研究成果可为受库水位循环变化影响下的含未知裂隙的库岸边坡稳定性分析提供有益思路。

崩落法转充填法采矿地表移动二维离散元程序数值模拟及其规律验证

基于数字式全景钻孔摄像系统及现场统计对井下矿体及围岩进行了节理调查分析,利用Surpac建立了采空区三维模型并进行剖分,最终建立了二维离散元模型(UDEC),研究不同水平矿体开采时位移场的变化规律和采空区上覆岩层的冒落形式,记录并分析矿体开采过程中岩石移动角变化规律并进行了对比验证。研究结果表明:充填法开采-430^-500 m矿体时,采空区最大位移为205.6 cm,小于崩落法的215.2 cm;对比充填法和崩落法新副井沉降值和水平位移值发现,充填法地表倾斜率为0.56 mm/m,小于崩落法的1.22 mm/m,水平变形率为1.03 mm/m,小于崩落法的1.31 mm/m,对于控制新副井沉降和地表移动具有良好效果。在崩落法开采时覆岩移动存在一定间歇性和跳跃性,冒落过程中可能形成自稳平衡拱,从而形成隐伏采空区。根据实际监测与模拟结果对比,在同一水平开采时间较长时,移动角减小速率呈跳跃性非均匀变化,表现为缓慢变化-加速变化-缓慢变化-加速变化的循环过程,进一步验证了自稳平衡拱和隐伏采空区的存在。

砂浆流失下长期服役砌石渡槽稳定性规律研究

以某砌石渡槽结构为对象,通过开展现场检测分析,揭示结构病害规律,针对砌石结构中的砌石离散的特点,提出以不连续块体理论开展砌石渡槽研究,揭示了砂浆流失对结构安全的影响。结果表明:(1)长期服下砌石渡槽的结构性主控致灾病害为拱圈砂浆流失;(2)砂浆流失位置和程度是关键参数,拱顶处砂浆流失致危程度最高,其次是拱肩和基础,砂浆集中流失比分散性流失更危险;(3)砂浆脱落造成的砌体结构失稳的物理机制,是由于砌石“物理性咬合度下降”影响,而非砂浆参数、砌石断裂或错动;(4)长期服役下砌石渡槽加固延寿措施应以阻断砂浆物理性流失和加强砌石咬合度为原则。研究成果对长期服役砌石渡槽的检测与安全鉴定、带病运行的砌石渡槽除险加固具有重要意义。

高频次微小地震下顺倾软硬互层边坡动力稳定性研究

三峡库区(TGR)自蓄水以来微震活动加剧、强度增大,频发微震会对库区边坡产生一定影响。采用振动台模型试验和UDEC数值模拟方法,对库区顺倾软硬互层边坡在不断微、小地震作用下的破坏失稳演化过程及动力稳定性进行了研究。研究成果如下:在不断地震作用后,边坡自振频率下降、阻尼比上升,自振频率下降的速度随加载次数和加载幅值的增加而增大;在不同加载阶段,边坡坡面PGA放大系数不断降低,动力响应呈现减弱趋势;弱层成为顺倾软硬互层边坡变形破坏的优势区域;边坡的破坏失稳演化过程为分段式的滑移破坏过程,上部软、硬层滑落后,剩余滑体沿着由上部弱层剪切裂缝、中部硬层次级节理拉裂缝和下部弱层剪切裂缝贯通形成的滑移面滑移破坏;UDEC数值模拟表明顺倾软硬互层边坡的累积永久位移随微震作用次数的增加而增加,稳定性系数则呈现递减趋势。研究成果对库区滑坡形成机制的认识和减灾、防灾有一定的价值。

频发微震下上覆软弱岩体边坡动力稳定及失稳模式

水库蓄水诱发的高频次微小地震对库岸边坡稳定性存在一定影响。采用振动台物理模型试验,结合UDEC离散元分析方法,以三峡库区杉树槽滑坡为原型,研究了频发微震作用下典型上覆软弱岩体边坡的累计损伤过程、动力响应特征及破坏模式。结果表明:在频发微震作用下,模型边坡自振频率不断降低,阻尼比不断升高,完整性降低;坡体加速度响应在初始阶段和微震阶段体现出"高程效应"和"趋表效应",而在小震加载后,坡体动力响应与上述特征出现偏离;在反复微震下,坡体的破坏演化过程可概括为"次级节理发育→次级节理扩展→上部岩体破碎→后缘裂隙扩张→滑面贯通→边坡失稳破坏"阶段;离散元数值分析结果表明,上覆软弱岩体边坡在频发微震下的变形主要发生于岩层分界面以上,后缘裂隙以下的上部岩体,随着地震次数的增加,其永久位移不断增大,边坡稳定性系数不断降低,边坡破坏特征与振动台试验结果相吻合。

频发微小地震下顺层岩质边坡累积损伤及稳定性分析

三峡库区蓄水后诱发的高频度微小地震对边坡稳定性产生了重大影响。采用振动台模型试验和UDEC离散元数值计算方法,深入地探究了库区典型顺倾层状岩质边坡在高频次微小地震下的累积损伤和稳定性。研究表明:①地震持续作用下,边坡自振频率、阻尼比、损伤度和损伤速率依次降低、增大、累积变大和不断提升,各测点PGA响应表现为“高程效应”和“趋表效应”,且PGA放大系数均呈降低趋势;②高、低动荷载振幅阶段边坡岩体非线性累积损伤模型可分别用指数函数和三次函数描述,其演化曲线分别呈初期轻微降低、中期线性递增、后期平缓微增的“S”型特征和急速增长的“陡升”型特征;③边坡累积损伤-失稳破坏呈现为起伏体爬坡-啃断-磨平、次级节理(层面)起裂-扩展-贯通、坡体沿复合破坏面发生整体滑移、失稳破坏后岩体以破碎-大型-巨型块状堆积于坡脚,且含起伏体边坡整体稳定性更优;④动荷载振幅、动荷载频率、坡高、坡角增大而层面厚度减小时,边坡临界失稳微震作用次数减小、累积永久位移增大、稳定性系数减小,且层面出露边坡更易发生失稳破坏。

综放开采不同采放比的采场矿压特征

以甘肃省华亭矿区为研究对象,通过离散元UDEC数值模拟建立7种不同采放比工况,针对优化采放比、适当提高综放工作面回采率后安全回采的可行性问题进行研究,得出采放比为1∶2.5的工况为最优方案,提高回采率的同时保证了安全回采的可行性,为相似煤层综放工作面合理采放比的确定提供了一定依据。

地下水与荷载联合作用的边坡稳定性数值分析——以重庆奉节电厂边坡为例

地下水因素对边坡稳定往往会构成严重影响,是工程实践中需要特别关注的不利因素;该文以重庆奉节电厂边坡为例,由于地下水环境比较复杂,通过设计地下水条件的方式对该区域典型边坡的地下水影响进行分析。在总结前人的边坡数值模拟和地下水分析的基础上,通过UDEC离散元程序导入已知条件与参数,进行强度折减计算;旨在依据地质水文勘察资料,通过设置地下水条件,更加全面地分析边坡在不同排水条件、地下水高度、软化作用和联合影响情况下的安全系数。分析结果表明,地下水作用、排水条件、软化作用对边坡影响显著,荷载在与地下水同时作用时对边坡的影响并不明显。这些分析可以作为边坡工程建议的基础。

梅城公路K93+946～K94+082段边坡稳定性分析与加固研究

针对广东梅城公路K93＋946-K94＋082段碎裂结构岩质高陡边坡,在充分研究现场工程地质条件基础上,基于离散元程序UDEC定量分析边坡开挖过程中各种工况下的应力应变趋势、可能出现的破坏模式与安全系数,获得边坡处于背斜的核部且节理裂隙发育,稳定性受岩层层面部分外倾影响较大;道路建设对山体开挖打破了原始平衡,引起坡体中部出现较大范围的剪切破坏区,整体出现类似于土坡的圆弧破坏;开挖后的边坡基本处于临界稳定状态,在一定触发因素作用下,可诱发大面积滑坡的结论。据此提出采用钢筋混凝土格构梁-锚杆（索）固脚强腰和稳固破碎岩体,加强排水系统并辅以浆砌块石护坡等措施的综合治理方案并实施,既保持了高等级公路沿线整体性,又达到边坡加固的目的。

开挖条件下含陡倾结构面顺层岩质边坡破坏模式与稳定性预测

顺层岩质边坡易发生失稳破坏,当边坡中发育有顺坡向陡倾结构面时,更不利于边坡稳定。以贵州某水电站大坝左岸含陡倾结构面顺层边坡为例,在综合分析地质条件及开挖扰动的基础上,结合离散元软件UDEC,分析了边坡的变形破坏模式和稳定性。研究结果表明,边坡可能发生的变形破坏模式主要有滑移、拉裂—滑移两种;自然状况下及开挖后,边坡都有沿断层f_9、卸荷裂隙L_1及岩层面发生滑移的趋势,且工程开挖导致边坡沿该结构面发生内部滑动;对边坡采用预应力锚索加固后,变形得到有效控制,位移数值计算值与实际监测值基本吻合。

控制型结构面几何参数对隧道围岩稳定性的控制效应——以郑万高铁向家湾隧道为例

隧道围岩变形破坏与岩石强度、结构面特征、地下水和地应力等因素关系密切,其中控制性结构面的几何参数(间距和倾角)影响着隧道围岩的宏观完整性和开挖后的应力分布,进而控制着围岩塑性变形和结构面剪切滑移。为研究结构面几何参数对隧道围岩稳定性的控制效应,以郑万高铁向家湾隧道为例,在区域地质环境调查、隧道掌子面地质素描和岩石物理力学参数测定的基础上,使用UDEC离散元软件分析了不同几何参数结构面的隧道围岩变形破坏特征。研究表明隧道结构面间距和倾角对围岩变形破坏影响显著,当结构面间距>1/10洞直径,倾角位于0°~30°范围内时,隧道施工过程中围岩稳定性相对较好。本研究对类似隧道安全施工具有实践指导意义。

贺西矿近距离煤层采空区下回采巷道布置优化

贺西矿3403工作面运输巷、尾巷与3号层工作面巷道内错1个巷道宽度,运输巷、尾巷局部地段破坏严重,返修率高,严重影响正常采掘衔接。通过现场观测、实验室试验、理论分析和计算机数值模拟相结合的方法,优化了贺西矿4号煤层工作面新掘巷道的位置。

应力波时延与结构面刚度的关联性分析

首先基于波动理论和非连续位移模型,推导倾斜入射P波在线弹性结构面处的透、反射关系式,得到的入射P波透、反射系数与结构面刚度之间的关系式与前人的结果一致。根据应力波的时延理论,进一步推导应力波透射线弹性结构面的相时延和群时延关系式。运用离散元法的数值软件UDEC模拟中心频率为100 Hz的高斯余弦应力波穿越单一节理与多条平行节理岩体,在此基础上分析应力波时延特征,并将该数值结果与相应的解析解进行比较。研究结果表明:(1)应力波垂直入射单一结构面的岩体模型后,利用未经滤波的透射波波形和包络线得到的应力波相时延与解析解基本一致,而群时延有一定差别;对透射波进行带宽为97~103 Hz滤波得到的相时延与群时延完全一致。(2)对存在多条平行结构面的岩体模型,当结构面间距大于1/2高斯余弦波波长λ时,经滤波后的群时延与解析解基本一致;当结构面间距小于1/2λ时,数值模拟得到相时延、群时延均与解析解相差很大。(3)透射波波前一般不会受到结构面多次反射波的干扰,在3种不同间距的结构面模型中利用透射波波前得到的初至波时延近乎相同,与单一结构面时初至波时延和结构面数量的乘积也相差不大。当结构面为线弹性体时,本文研究结果有助于利用应力波时延特征来预测结构面刚度或结构面数量。

王坡矿二次采动影响下破碎围岩巷道注浆加固研究

受邻近工作面和本工作面二次强烈采动影响,复用顺槽的顶板、两帮发生破碎或离层状况,当对其进行锚索补强支护时,鉴于锚索的预紧力被离层隔断,无法向深部稳定围岩传递,补强支护效果不好。为此,以王坡矿3316工作面二次留巷3314运输顺槽为破碎围岩加固实例,通过UDEC离散元软件,对比研究了围岩破碎注浆之后打锚索与围岩破碎后直接打锚索的围岩应力、塑性区、变形以及锚索受力等因素。结果表明:在注浆基础上再进行锚索补强的支护方式与单纯锚索支护相比,围岩表面垂直应力、围岩变形、围岩可锚性显著改善。

某水电站碎裂松动岩体形成机制及稳定性分析

碎裂松动岩体是指一系列具有碎裂结构且各向结构面均有张开的岩体,其碎裂特性和松动特性对工程建筑长期稳定性有着巨大影响。采用现场地质调查为主要手段对研究区碎裂松动岩体赋存地质条件和变形破坏迹象进行了研究,并从卸荷、冻融和地震三方面分析了其成因机制。运用二维离散元UDEC模拟碎裂松动岩体在各工况下的稳定性,发现地震作用对碎裂松动岩体稳定性影响明显大于暴雨作用,且其变形过程由暴雨工况下的由下至上逐层次破坏转化为岩体先解体,再发生整体滑动。

下保护层开采卸压瓦斯分布预测及抽采技术

为了保证被保护层瓦斯的消突和治理工作,掌握保护层开采的卸压效果和预测卸压瓦斯的主要分布区域,运用UDEC离散元模拟得到了下保护层开采后被保护层的卸压效果、瓦斯运移规律及分布情况,并根据模拟结果相应地提出了留巷钻孔法抽采卸压瓦斯,实现了无煤柱开采,消除了被保护层应力集中区煤与瓦斯突出危险威胁。经现场实测抽采后3号煤层瓦斯压力降低了1.36 MPa,瓦斯含量降低了9.51 MPa,抽采效果良好。

频发微小地震作用下顺层岩质边坡的振动台模型试验与数值分析

采用振动台物理模型试验与UDEC离散元方法,针对不同倾角的顺层岩质边坡,研究了其在频发微小地震作用下的动力响应、边坡变形与稳定性系数变化特征及破坏模式。结果表明:在频发微震作用下,边坡自振频率减小,阻尼比增大,坡体结构损伤不断发展并累积,具体表现为层面与次级节理的起裂、扩展、贯通,坡体永久变形逐渐增大,稳定性系数减小;两类边坡的加速度响应均表现出"高程效应"和"趋表效应",且两类边坡的动力响应随地震作用次数的增加而减弱;对缓倾顺层坡,其在振动台试验后期加载强震作用后,边坡破坏表现为岩层从上至下的逐层开裂滑移脱落,但在UDEC模拟的频发微震下的破坏主要集中在边坡表层;而对层面与坡面平行不出露的陡倾坡,边坡在微震下的稳定性基本良好,其强震破坏面主要有后缘陡倾层面段、中部台阶起伏段及前缘平缓剪出段3段构成。研究成果对库区滑坡形成机制的认识和减灾防灾具有重要的参考价值。

结构面空间组合关系对隧道围岩稳定性影响研究

隧道围岩变形破坏与岩石强度、结构面空间组合关系、地下水和地应力等因素关系密切。为研究结构面空间组合关系对隧道围岩稳定性的影响,文章基于郑万铁路向家湾隧道工程地质条件,采用UDEC离散元软件对全断面开挖下的围岩稳定性进行数值模拟,重点分析了两组结构面的空间组合关系对结构面剪切滑移、围岩塑性破坏及位移的影响,同时根据开挖后围岩变形的差异——完好、掉块、塌方,定性统计整理得到了结构面空间组合对隧道开挖稳定性影响统计表,并给出了相应的施工建议。研究结果表明,隧道围岩变形破坏主要发生于结构面间距小于1.5 m,且J1倾角为45°~75°、J2倾角为103°~133°的空间组合条件下。