碎石桩复合地基非等应变非线性固结特性分析

现有碎石桩复合地基固结理论通常基于等应变假设,与工程实际情况有出入。基于分段线性差分法,建立了一种考虑非等应变刺入修正和任意桩土非线性本构关系的碎石桩复合地基非线性固结模型。该模型可以考虑桩土自重、涂抹区、井阻效应和变荷载,可以计算碎石桩向垫层或下卧层的刺入并对等应变假设进行修正,可以分析桩土附加应力沿深度方向的衰减,以及任意的非线性压缩性及渗透性关系。与工程实测数据对比发现,考虑非等应变修正的模型计算值与工程实测值基本吻合。结合算例分析,进一步研究了垫层及下卧层模量、桩土竖向应力衰减和应力路径对碎石桩复合地基土体固结特性的影响,结果表明:碎石桩向垫层或下卧层刺入使复合地基桩土应力比减小、沉降量增大、固结速率减缓;忽略桩土竖向应力衰减虽对固结速率影响不大,但会高估复合地基沉降变形;不同应力路径对碎石桩复合地基固结特性影响显著,简化的土层压缩性关系将对分析结果带来较大误差。

高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩蠕变试验及非线性蠕变损伤模型

为克服高程障碍并降低施工风险,可采用长大隧道穿越崇山峻岭,但这些隧道往往处于深埋高地应力环境,并受到化学侵蚀影响。为了解决此问题,以丽江—香格里拉炭质板岩大变形隧道为研究对象,采用室内试验和理论推导,研究深埋炭质板岩隧道受化学侵蚀作用下的围岩变形特性。在Poyting-Thomson体蠕变体的基础上,根据模型元件的力学特性,叠加了损伤元件、化学损伤元件和非线性元件,提出高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩非线性蠕变损伤本构关系。研究结果表明:1)炭质板岩试样受化学侵蚀影响显著,侵蚀90 d试样所产生的轴向蠕变应变为侵蚀0 d试样的2.02倍,侵蚀60 d试样所产生的径向蠕变为侵蚀0 d试样的1.85倍;2)受侵蚀的炭质板岩试样在三轴压缩状态下破裂以斜向贯通裂隙为主,并产生一定的滑移错动裂隙,且沿轴线的拉伸劈裂破坏受围压作用抑制明显,未产生竖向贯通裂隙。

致密砂岩气藏地质工程一体化模拟技术

随着常规气田的可动用储量越来越少,致密气等难动用资源逐渐受到重视。为了增加致密砂岩气田储量动用程度,针对地质构造特征、测井数据,建立了地质气藏各属性精细化模型,评价了目标层位的地质甜点、工程甜点,优选了水平井分段分簇位置,开展了多段多簇裂缝形态模拟及气藏产量数值模拟,分析了水平井开发效果并提出了气田后续产能挖潜的措施,进而形成了致密砂岩气藏地质工程一体化模拟技术。研究结果表明:利用有限元方法建立的压裂模型,能够精确刻画多段多簇裂缝形态。在此基础上,将多段多簇裂缝模型与气藏基质属性模型相互结合,可进一步分析压裂改造后的压力波及范围及产量动态变化。在SM区块致密砂岩气田探索并推广地质工程一体化模拟技术,对气田高效开发提供了宝贵的思路。

深埋岩溶隧道掌子面突水灾害可靠性上限分析

旨在研究高地应力、高压富水条件下深埋岩溶隧道掌子面突水灾害的可靠性问题。基于已有研究成果,考虑高地应力以及高压富水地质条件,采用极限分析上限法构建了以剪切破坏为主的深埋岩溶隧道掌子面三维防突机制。根据虚功率原理建立突水破坏过程中的能量方程,利用Hoek-Brown强度准则求解了高地应力以及高压富水条件下防止掌子面突水所需要的支护力上限解。在极限破坏状态下,根据掌子面上施加的支护力与突水破坏时的围岩压力构建极限状态方程,建立了深埋岩溶隧道掌子面防突可靠度模型,并采用响应面法计算了掌子面发生突水灾害的失效概率。分析了水平地应力、溶腔水压力、岩体强度参数以及隧道洞径对支护力、潜在破坏长度的影响规律,给出了满足不同容许失效概率下深埋岩溶隧道预防突水灾害所需要的最小支护力以及在有限支护效应下能抵抗的最大破坏长度。将研究成果应用于实际工程案例中,与已有研究、现场结果相比较,验证了本文计算结果的有效性,可为今后类似深埋岩溶隧道的防突问题提供理论指导和参考。

超大断面破碎软岩硐室围岩稳定性及控制技术研究

针对超大断面硐室围岩失稳问题,以锦丰金矿地下搅拌站超大断面硐室为研究对象,利用矿山地质钻孔数据库建立矿区岩石质量指标模型,并基于该模型选择搅拌站建设最优位置为150 m中段。通过实验室试验、现场调查及地应力测量确定围岩参数及应力分布特征,利用Phase2岩石力学软件对硐室开挖后的稳定性进行数值模拟分析,根据分析结果并结合工程类比法,提出管缝锚杆+挂网+湿喷混凝土+树脂锚杆+长锚索+壁后注浆+防底鼓反拱混凝土联合支护方案对围岩进行支护。采用数值模拟及现场应用效果监测方法对加固效果进行评价,结果表明:加固后的硐室最大变形量为31 mm,最大主应力为25 MPa,锚杆(索)均未发生破坏,混凝土衬砌所有单元的安全系数均大于1.2,支护结构处于合理有效的受力状态。采用该联合支护方式加固后的硐室处于稳定状态,支护效果良好,相关研究成果对类似工程具有重要借鉴意义。

利用测井、压裂资料求取储层地应力的方法

地应力和破裂压力是十分重要的工程基础参数.文中利用声波、密度和自然伽马等测井资料计算出地层岩石动态力学参数;由于实际工程中采用的是岩石静态力学参数,故通过拟合的动静态参数转换关系式计算出了岩石力学静态参数;实际工程应用必须考虑构造应力,结合典型井段的压裂资料和测井资料反算出地层构造应力系数,结合地应力计算模型和破裂压力计算模型,使用VB6.0编程计算地应力.以×井3 590～3 920 m层段为例,计算出岩石力学参数、地应力和破裂压力连续剖面.该层段构造应力系数为0.462和0.586;最小水平主应力62.417～84.565MPa;最大水平主应力67.651～94.474 MPa;破裂压力75.346～93.241MPa.文中所使用的方法计算结果精度高、实用性强.

复杂地质构造条件下地应力模型与图版解释法

由于传统水平地应力模型中的构造系数很难准确求取,无法获得计算水平主地应力的数学式。借助已钻井的测井资料、采用钻井地破试验或水力压裂试验法可较精确地测定最小水平主地应力;在测井数据反演地层岩石参数的基础上,利用复杂构造条件下主地应力力学模型,建立目标井水平主地应力的数学关系并绘制解释图版,由此求取最大水平主地应力值。该图版解释新方法充分考虑了上覆岩体的自重、地质构造应力及地层孔隙压力,可较准确的预测勘探目标区块水平主地应力。

基础梁边界约束作用的虚拟节点法

在传统弹性基础梁内力分析的数值计算方法中,采用Winkler地基模型或双参数地基模型的缺陷是没有反映地基对梁端约束及地基应力扩散的影响。采用虚拟延展梁的方式来代替地基对梁端的约束作用,给出虚拟梁端参数的控制方程,建立新的、完整的基础梁的有限差分方程组的方法和求解控制条件。通过编制计算程序,选用典型算例,得到考虑地基对梁边界约束影响及应力扩散的基础梁的数值解答。本方法可供实际设计计算基础梁内力时,考虑地基对梁端约束作用时参考应用。

高层建筑群对地面沉降影响的模型试验研究

通过室内模型试验,研究了上海地区典型地质条件下高层建筑群工程环境效应对地面沉降的影响,探讨了在高层建筑群工程环境效应作用下不同土层的变形特点、相邻建筑物之间的相互影响状况、高层建筑群对中心及周边区域地面沉降的影响以及沉降影响范围、土层中应力(包括土压力、孔隙水压力)的变化规律等.试验研究结果表明:上海软土层是地面沉降的主要组成部分;高层建筑群工程环境效应造成的城区地面沉降的特点是距建筑物1倍基础宽度范围内的地面沉降大于建筑本身的沉降,尤以相邻建筑之间中心区域地表的沉降量最大;密集高层建筑群之间地表变形存在明显的沉降叠加效应,并使沉降量超过容许值,从而带来不稳定因素.

北京房山大安山煤矿深部地应力数值模拟分析

地应力是煤矿开采等地下工程围岩变形与破坏的根本驱动力。为研究随煤矿开采深度的增加,地应力越来越大,井下应力环境发生变化,导致巷道大变形、冲击矿压、煤与瓦斯突出及突水等灾害的发生,与工程实测对比分析对某煤矿+400m水平的断层、褶皱地质构造应力场进行数值模拟研究,再现地应力的大小对开采活动的影响情况,充分了解应力场分布特征、煤岩体性质与结构特征,进行合理的、切合实际的围岩稳定性、围岩变形与破坏分析,为合理的支护设计与冲击地压的防治提供依据。模拟显示:(1)应力值大小分布的总体趋势是随深度的增加而逐渐增大,但在同一水平上应力值相差不大;(2)剪应力对断层的影响明显,剪应力值明显高于其余部分;(3)最大主应力大小分布的总体趋势是随深度的增加而逐渐增大,在煤层倾角变化比较大的区域出现应力升高区和应力降低区。与工程实际有很好的吻合。

地下洞室工程设计与计算中的几个误区

笔者有幸参加了电力部、水利部几个设计院的调研、切磋与讨论 ,并应邀去四川、陕西、新疆几个水利隧洞工地进行了参观咨询 ,对目前地下工程设计计算中的一些观点、认识有不同感想。这些观点长期以来左右着设计人员设计、计算分析的方法与指标的选择 ,有必要进一步探讨其观点的背景与正确性。

不同地应力场软岩隧道渐进破坏试验与分析

针对软弱地层中常常发生的隧道塌方事故,以Ⅳ级围岩深埋公路隧道为对象,利用模型试验方法研究特定应力场下无支护隧道围岩的渐进破坏机理。采用弹塑性损伤本构模型,对模型试验工况进行有限元数值模拟,并在此基础上,对不同初始地应力场的情况进行扩展分析。研究结果表明:1)隧道开挖后围岩的破坏区主要集中在隧道拱顶上方,数值计算中用损伤变量最大值表示的破坏区与模型试验吻合较好;2)随着侧向压力系数的增大,松动破坏区面积随之扩大,且主要区域由隧道边墙两侧逐渐转变为隧道拱顶、拱底区域;3)随着侧向压力系数的增大,边墙水平收敛位移逐渐减小,拱顶收敛位移逐渐增大。

深部多裂隙岩体开挖变形破坏规律模型试验研究

深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有一定倾角的多组裂隙的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明:隧道上下侧围岩主要呈现大变形现象,左右侧围岩呈现分层破裂现象,破裂区随时间增长由内向外逐渐增多,在拱顶、底板大变形的诱导下发生边墙大体积坍塌;隧道围岩由内向外位移值和应力值呈现波动状分布;裂隙倾角与破坏区分布形态有一定相关性。为保障深部工程的安全兴建与运营提供了试验基础。

侧压力系数对高地应力隧道二次衬砌承载力的影响

高地应力区隧道的地应力和侧压力系数往往沿线有所变化。为了研究高地应力条件下,侧压力系数对隧道二次衬砌承载力的影响规律,首先分析了隧道试验段的实测地应力和接触应力,确定了隧道所处的地应力及侧压力系数的大小。然后利用有限元软件ANSYS,采用荷载结构模型计算了在0.25~4.00不同侧压力系数下隧道二次衬砌的内力。最后根据内力值计算出安全系数,从而推断其极限承载能力,并总结了侧压力系数对隧道二次衬砌极限承载能力的影响规律。

地裂缝活动对土体应力与变形影响的试验研究

通过进行西安典型地层环境下地裂缝活动的大型模型试验,研究了隐伏地裂缝活动引起附近土体应力与变形的规律。试验表明,地裂缝活动在上盘土体中产生负的附加应力,引起土体应力降低,而在下盘土体中产生正的附加应力,引起土体应力增强,且距离地裂缝越远由地裂缝活动引起的附加应力越小。地裂缝活动导致其两侧土体发生台阶状位移突变现象,随着地层由深至浅,土体变形范围明显增大,且影响区范围上盘大于下盘。地裂缝活动引起附近土体应力的分布在空间上大致分为4个区域即下盘原始应力区、应力增强区、应力降低区和上盘原始应力区,其中应力降低区范围约为应力增强区的1.5～2倍。同时,地裂缝附近土体沉降变形也可分为3个带,即下盘稳定带、差异沉降过渡带和上盘稳定带,其中上盘差异沉降带范围约为下盘沉降差异带的2倍。

群采空区下浅部岩爆诱发机制研究

针对玲珑金矿西山坑口131号矿脉-50中段花岗岩的浅部岩爆灾害,进行了现场勘察以及地质调查,发现岩爆发生区域上部存在大量未处理的群采空区。采取样本进行了室内倾向性试验,发现该区域花岗岩具有中等至强岩爆倾向性。依据调查所得地质资料和矿山生产资料进行了矿山三维可视化建模并进行了地应力计算,分析岩爆发生区域的应力状态。依据计算分析并圈出了潜在岩爆地质灾害的区域,提出了群采空区下浅部岩爆的诱发机制及防护建议。

高地应力下砂岩隧道围岩爆破振动响应研究

高地应力对隧道围岩的爆破振动响应具有一定影响。本文通过波动微分方程和分离变量法结合高地应力作用下砂岩类材料参数的变化规律求得适用于高地应力下的爆破地震波传播解析解,并通过实例分析,给出了隧道围岩中质点振动速度、加速度、应变参数随地应力大小变化规律,并借助物理模型试验装置对隧道围岩爆破振动响应随地应力的变化规律进行模型试验研究,最后将试验结果与解析解进行对比。由解析解的计算结果表明,相同围岩质点速度、加速度和应变峰值均随着地应力的增大而逐渐减小,且径向的速度、加速度和应变在低地应力阶段的衰减速率要大于高地应力阶段,随地应力的增加呈现出类似于负指数下降的趋势。在模型试验中,相比于震源附近围岩的振动响应,远离震源处地应力的变化对围岩爆破振动响应影响增大。模型试验测得的结果与解析解计算的结果相吻合。研究成果对地下隧道爆破设计和振动安全预测具有重要参考价值。

正交各向异性岩体地应力计算的误差研究

准确的地应力实测资料是确定地下岩体力学性质，进行工程结构设计施工、围岩安全稳定性分析和科学化决策的必要前提和基础。然而，应力解除法求解地应力无法考虑非理想岩性问题，工程应用中采用的忽略或修正的处理方法必将造成较大的误差。根据有限单元法的原理，针对正交各向异性岩体，分别采用理想模型和正交各向异性模型开展了地应力求解研究。结果表明：岩体弹模会造成应力分量误差最大可达56％，第一主应力大小误差为15％～26％，方位角误差为30％～37％，倾角误差为23％～57％。

地下厂房围岩稳定分析探讨

在实测资料的基础上,用三维有限元和边界荷载调整法大致模拟工程区的初始地应力;在获得了模拟的初始地应力资料以后,建立了地下厂房的概化三维模型,用非线性有限元对厂房开挖后围岩内的地应力重分布和塑性开展区分布作了分析,评价了厂房的围岩稳定性,其结果与实际开挖情况基本吻合。

水井抽水引起地基沉降的离心模型试验研究

地下水的开采是引起地面沉降的重要因素之一。通过离心模型试验研究抽水引起的地基变形。研制一套离心场中地基抽水的模拟和测量系统。进行离心模型试验,测量抽水过程中粉土地基孔隙水压力和沉降的变化及分布规律,探讨渗透作用对地面沉降发展规律的影响。试验结果表明靠近抽水位置区域的地基变形大于远离抽水位置区域,排水引起的地基沉降量与其不均匀程度随着排水次数和沉降的增大有逐渐减小的趋势。在地下水开采过程中,地基侧向变形也是引起地面沉降的重要影响因素。地基渗流场变化强烈的发展阶段对于地基沉降的影响值得关注。