基于破坏接近度的机械化施工隧道安全步距研究

为了提升机械施工效率,探究机械化施工最大安全步距,以泸石高速得妥隧道为工程背景,采用有限元差分方案,结合破坏接近度理念,研究了步距对隧道围岩与结构稳定性影响。主要结论如下:随着安全步距的增大,隧道应力释放比例增大,沉降变形增大,但是幅度逐渐减小;安全步距的增大提高了初期支护的围岩压力分担比例,造成围岩拉压应力的提升,以拉应力提升为主。安全步距增大使围岩开挖损伤区范围增大,以仰拱端头至掌子面距离90 m为界,超过90 m围岩损伤区扩展显著,建议仰拱端头至掌子面距离不超过90 m。

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。

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。

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。

桥梁结构基于拱杆系失效包络图的可视化安全评估

基于失效包络图理论,利用几何思想建立桥梁构件及结构整体失效状态新模型;在直杆系失效包络图理论的基础上,提出了适用于桥梁结构拱杆系的失效包络图及安全评估的方法.以连霍高速公路许沟特大桥为实例,通过对三维及二维工作状态可视包络图的分析,给出了桥梁结构拱杆系的失效接近度、安全余度等安全评估的量化指标.

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。

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。

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。

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.

不良充填体间隔下盘区二步骤采场回采稳定性分析

针对厚大矿体盘区一步骤采场回采边界欠规整、充填体质量差等问题,为了确保二步骤采场稳定和回采作业安全,开展了区域工程地质调查与分析,采用数值模拟方法对提出的两个二步骤回采优化方案进行对比,并引入破坏接近度指标(FAI)对二步骤采场回采稳定性进行定量分析和评价。结果表明:为降低二步骤回采对一步骤不良充填体的扰动影响,采取“增加回采工艺循环次数,减小单次回采结构参数”的总体思路是合理的,其中方案Ⅱ(高分层回采分层充填采矿法)对采场顶板和侧帮不良充填体的变形和塑性破坏控制效果最佳;二步骤采场区域绝大部分为低扰动至损伤区(FAI<2.0),侧帮局部破坏区最大深度为2.23 m,方案Ⅱ回采扰动下二步骤采场总体稳定性良好。研究成果可为矿山类似条件下二步骤采场安全回采提供参考。

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。

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。

大理岩三轴压缩试验过程中氡释放规律研究

氡气是地下空间开发利用中的有害气体,同时对深地暗物质试验有重要影响,研究地下工程开挖过程中氡释放规律是科学解决氡污染问题的基础。采用自主设计的岩石三轴压缩氡释放试验系统,开展大理岩不同围压下三轴压缩破裂试验与氡释放量的测试,研究大理岩破裂模式对氡释放规律的影响,并讨论岩石破坏接近度(FAI)与累积氡浓度的相关性。试验结果表明,大理岩在不同加载阶段的氡释放量具有显著差异,总体上呈现先增加后回落再大幅增加至峰值释放量,最后跌落至稳定水平的规律。初始氡浓度随着围压的升高逐渐升高,而峰值氡浓度随着围压的升高呈现逐渐下降的趋势,与不同围压下岩石的破坏模式相关。通过对试验结果分析,得到岩石破坏接近度与累积氡浓度具有明显的相关性,可通过破坏接近度预测累积氡浓度的变化趋势。岩石氡释放规律的揭示对现场排氡/隔氡设计具有重要指导意义。

脆岩超大断面隧道双层初支支护时机研究

通过改进现有的破坏接近度理论,建立脆性岩体力学状态的安全性评价指标(BRSI),实现对脆性岩体弹性状态、应变硬化状态、脆性破坏和残余状态的定量表达。基于脆性围岩力学状态与BRSI指标之间的定量关系,提出一种脆岩超大断面隧道分步施工中双层初支最佳支护时机的确定方法。通过三维数值模拟,将所提方法在下北山隧道工程中进行分析与验证。结果表明:(1)低围压状态下,凝灰岩达到极限强度后立即发生脆性破坏,随着围压的增加,凝灰岩表现出逐渐软化的特征;(2)隧道施工中,围岩BRSI值的发展经历初始发展、快速发展和逐步稳定3个阶段;(3)中导坑岩柱的开挖使洞壁围岩的应力状态和破坏模式发生转变,导致中导坑的最佳支护时机比边导坑滞后2~10 m;(4)BRSI指标能够准确、直观地表征脆性围岩的力学状态,所提支护时机确定方法合理、可靠。