湿度扩散诱发的节理岩体时效变形特性研究

湿度对岩体结构性能的影响显著,不仅造成岩体物理力学性能弱化,还在一定程度上产生湿涨变形,进而改变岩体的应力状态,大大增强岩体的时效变形特性。为了分析节理岩体在高湿度环境下的时效变形,采用湿度-应力-损伤耦合数值模型对水敏感岩体隧洞开挖后的变形量、围岩内的湿度扩散,以及应力演化进行了数值分析。通过对单组和2组节理岩体的变形、应力、湿度扩散的分析,揭示了节理弱面对湿度扩散和岩体变形的强化作用。开挖隧洞拱顶和底板变形量的分析结果表明高湿度环境是水敏感岩体隧洞产生底鼓的重要原因之一。湿度扩散引起隧洞顶部和底部围岩产生大量破坏,致使相应部位的位移量陡增。此外,单组节理对岩体的湿度扩散的方向起到明显的导向作用,而多组相互斜交的节理则在一定程度上削弱了湿度扩散的各向异性。     

蓄水期大岗山右岸抗剪洞加固及其效果分析

为研究蓄水期大岗山水电站右岸边坡抗剪洞的加固机理和加固效果,首先根据微震监测结果分析了蓄水过程中抗剪洞及周围岩体的微震活动性,圈定了蓄水期右岸边坡内部主要损伤区域;然后利用真实破裂过程分析方法(RFPA)模拟蓄水过程,得到了蓄水过程中边坡的应力场、位移场,对抗剪洞在蓄水过程中的微震活动性作出解释;最后,利用数值模拟方法分析了蓄水过程中抗剪洞的加固作用机理,评价了抗剪洞加固措施在蓄水过程中的加固效果。研究表明:抗剪洞能够提高边坡的抗剪能力,但随着其布设的高程降低,这种加固效果越来越弱;蓄水过程中,抗剪洞表现出了宏观剪切、微观拉裂的破坏形式。     

基于渐进微震损伤效应的蓄水期库岸稳定性分析

大岗山水电站自2014年12月开始蓄水,至2015年11月库区水位从975 m升至1 130 m。水电站右岸边坡地质条件复杂,发育有辉绿岩脉、卸荷裂隙带和断层等不良地质体,降低了岩体性状,使右岸边坡在蓄水期存在局部或整体失稳的风险。通过对右岸边坡实施微震监测,获得了蓄水过程中右岸边坡微破裂的演化规律。结合微震监测信息,应用三维岩石真实破裂过程分析方法（RFPA3D-Centrifuge）计算蓄水期右岸边坡在渐进性微震损伤效应下安全系数随库水位升高的变化过程。经计算,边坡安全系数随库水位升高而降低,库水位升高对边坡稳定性有不利影响。最终安全系数为1.76,满足规范要求,说明蓄水过程中边坡处于稳定状态。     

撞击荷载作用下板状岩体破坏特性数值模拟分析

板状岩体的动态破坏特性对岩体工程和防护工程具有重要的研究意义。基于有限元方法,通 过引入三维动态接触算法,建立撞击模型,研究板状岩体在子弹中心撞击作用下的破坏特征。数值模型 中,通过采用Ｗｅｉｂｕｌｌ统计学分布考虑岩体非均匀性;利用连续等效损伤理论描述岩体损伤演化过程。 数值模拟结果表明,动态接触算法能够有效地模拟块体之间的撞击过程。岩板在子弹中心撞击作用下, 破裂最先出现在岩板背面中心处,并逐渐向岩板四周及正面延伸。同时,在较低撞击速度作用时,岩板 断裂由产生的径向裂纹控制。随着撞击速度逐渐增加,环向裂纹出现,并与径向裂纹共同决定了岩板的 断裂形式。     

大岗山水电站右岸边坡开挖期位移 预测的PBM模型研究

采用ＢＰ神经网络模型从大岗山水电站右岸边坡位移监测数据中提取其变形的主要特征,获取其内在机制以实现对其变形行为的预测。在训练过程中,为了克服神经网络易于陷入局部极值和收敛速度慢的不足,保证其预测的正确性,可采用改进的粒子群算法对其初始权重和阈值矩阵进行优化,即建立ＰＳＯ－ＢＰ模型。此外,将由ＰＳＯ－ＢＰ模型预测的位移值的残差序列视为马尔科夫链,可采用马尔科夫理论对其进行进一步地修正,以减少系统评估过程中出现的随机性。最终,建立了用于边坡非线性位移时间序列分析的ＰＢＭ模型,实现了对数据的事先优化及事后修正。分析结果表明,ＰＢＭ方法能够准确预测边坡变形的趋势特征,其位移预测结果与现场监测结果能够很好地吻合也进一步说明该方法的正确性与有效性,为相似工程的坡体变形分析提供了分析工具和值得借鉴的思路。     

基于信号时频特征的微震波形识别在岩爆预测中的应用

在深埋地下工程施工中,需要通过监测采集微震信号分析施工过程中的岩爆风险,由于现场干扰因素多,数据中混入了大量冗余信号,大大影响了岩爆预测的效率。为有效识别出岩石的破裂信号,本文采用快速傅里叶变换,对比分析了微震/岩爆信号与其它无效信号的频率特征,采用多输入的卷积神经网络方法,建立了基于信号时频特征的微震波形识别模型,实现了对微震/岩爆信号的有效识别。基于引汉济渭秦岭输水隧洞的微震监测资料,采用3770个波形对模型进行了测试,模型识别精度可达96.1%。模型对比了不同输入方式对预测结果的影响,针对随机挑选的100次微震事件和100次无效事件,结果表明：采用信号的时频特征作为输入,模型比单纯采用时域或频域特征具有更高的精度。     

低温通风环境下高温隧道温度场和应力场的演化规律研究

为了保障川藏铁路高温段隧道安全施工和长久运营,采用ＲＦＰＡ2Ｄ－Ｔｈｅｒｍａｌ热－固耦合模型,对低温通风环境下高温隧道的温度场和应力场演化规律以及隧道围岩的损伤破坏机理进行了研究。结果表明:低温通风环境下,高温隧道围岩温度迅速下降,岩体冷却收缩诱发的温度应力会造成岩体自身的损伤,从而萌生损伤裂缝;随着通风时间的增加,损伤裂缝会逐渐向岩石内部扩展;隔热层可以有效减弱低温风流所诱发的损伤作用;增加隔热层厚度和降低隔热层的导热系数,均能增强隔热层的隔热效果。该研究结果可以为川藏铁路隧道隔热层优化设计提供参考。     

裂纹对水泥基复合材料湿度扩散性能影响的研究

运用湿度扩散理论、统计学方法以及损伤力学方法建立了水泥基复合材料湿度扩散与裂纹扩展之间耦合作用的数值模型。研究表明：裂缝是影响湿度扩散过程的一个重要因素,对湿度扩散路径的影响尤为显著。当有裂缝存在时,湿度扩散的范围更深、更广,相应的湿度应力则会更大,不利于裂缝的预防与控制。湿度的变化引起的干缩应力将促使裂缝的进一步扩展,同时,裂缝的扩展又将导致湿度扩散范围的增大,从而反过来促进裂缝的扩展,这是一个湿度-应力-损伤耦合作用的过程。因此,对已有裂缝的水泥基复合材料进行裂缝修补工作有利于提高其耐久性。     

马蹄形隧道围岩非线性变形破坏的数值模拟研究

主应力方向不同时，隧道围岩所处的应力环境也会不同，针对不同方向主应力作用下隧道围岩破坏规律，通过统计损伤理论和数值模拟方法，采用主应力逐级加载的方式，模拟了马蹄形隧道在不同主应力倾角下的破坏模式，并与模型试验结果相对比，验证软件模拟结果的可靠性。为了更加真实模拟隧道洞室的实际受力情况，进一步引入离心加载法定量计算隧洞的整体安全系数。结果表明，主应力方向对马蹄形隧道围岩稳定有重要影响，当θ ＝０°时，隧道两侧产生了较大的剪切应力集中，破坏较为严重；当θ＝３０°、４５°、６０°时，拱顶和底板首先产生破裂，但破裂区扩展规律不同；当θ＝９０°，在底板位置处破坏显著。同时，当θ＝０°和３０°时，隧道的安全系数较大；当夹角θ＝４５°时，隧道的安全系数最小等。这些结果对进一步揭示隧洞围岩复杂的破坏行为，评价地下工程安全稳定性，采取合理的支护措施等均具有重要意义。     

准脆性介质热流固及损伤耦合效应的数值模型

运用热流固耦合理论,在岩石破裂过程分析系统(Rock Failure Process Analysis,RFPA)的基础上实现了温度-渗流-应力-损伤(Thermo-hydro-mechanical-damage,THMD)的多场耦合数值模型,并以此为工具进行了水工结构中温度场随渗流和应力而变化的规律研究。结果表明,水的流动导致的热量迁移现象可以用于分析水工建筑物的水温异常,并可将其作为结构是否出现了渗漏的一种监测手段。对破坏过程中温度变化规律的数值试验研究表明:在初始加载阶段,试样中的原生裂隙随着应力的不断增加而闭合,导致透水能力以及渗流速度的降低,渗流对温度场的影响作用也随之而逐渐减小;但当试样中的应力水平达到其峰值强度时,损伤急剧增加并形成了渗漏通道,渗流速度增大,试样顶端的温度也急剧升高。数值模拟得到的温度场随渗流速度和方向、应力、破坏三因素的变化规律有助于完善温度探漏的相关理论。