雅砻江锦屏一级水电站坝址区实测地应力与重大工程地质问题分析

本文对雅砻江锦屏一级水电站坝址区Ⅱ1-Ⅱ1及其前后剖面实测地应力进行了系统整理分析。分析结果表明:在相同的水平和垂直埋深条件下左岸坡角应力大小较右岸坡角小,这主要是由边坡岩体结构确定的;左岸导流洞开挖过程中在应力大小较右岸低的情况下出现坍塌工程地质问题也与左岸边坡岩体结构有关,而非岩爆等诱发。另外对左岸岩体深部裂缝在已有研究成果的基础上从应力集中、能量积累角度初步提出了新的边坡变形破坏方式,并从岩体结构和地应力大小方面对锦屏一级水电站工程建设过程中左、右岸应注意的工程地质问题提出了初步建议。     

复杂条件下大型地下洞室群的变形稳定性分析

本文结合某水电站工程建设实例,在现场地质调查和地勘资料分析的基础上,建立了能够反映工程区陡峻地貌、软弱断层和高地应力环境条件下的计算模型。以地应力实测结果为依据,采用线弹性方法反演了初始地应力场,在此基础上,通过编制程序施加应力的方法简化数值模型,采用弹塑性方法对地下厂房进行了三维模拟,分析结果表明:相邻洞室之间的围岩,尤其是主厂房与尾水调压室之间存在局部的塑性破坏,破坏部位主要在洞室腰部和顶角部位,应力集中则主要在顶角部位。本文的建模方法和分析结果,对于类似工程将具有一定的借鉴意义。     

多簇压裂干扰应力变化规律及对裂纹扩展的影响

为研究水平井分段多簇压裂缝间的干扰应力及其对裂纹扩展的影响,在现有二维未考虑地应力的单裂缝干扰应力解析解的基础上,利用双平面复变函数保角变换得到了包含地应力项的三维干扰应力解析解。基于扩展有限元法建立三维多裂缝扩展力学模型,利用Python脚本二次开发平台实现了三维多裂缝水力压裂参数化建模,通过解析解与数值计算对比分析,得到如下结论。裂纹两侧裂纹面法向和走向干扰正应力分别为压应力和拉应力,均呈纺锤形,法向干扰应力影响范围大约为走向干扰应力的5倍;裂纹尖端裂纹面法向和走向干扰正应力分别为拉应力和压应力;裂纹尖端两侧存在干扰剪应力;考虑初始地应力对干扰应力解析解进行修正后的干扰应力值均变小;多簇压裂中裂缝间的干扰应力叠加,簇间距越小,叠加效果越强;多簇压裂的干扰应力使裂缝间裂纹面法向压应力增大,走向压应力减小,导致裂纹扩展注水压力升高,裂缝张开的宽度降低,不利于单裂缝的扩展;干扰应力使裂缝间应力差降低,甚至局部最小地应力方向发生改变,有利于形成复杂缝网。     

V型河谷地应力研究

介绍了河谷地应力研究现状 ,利用弹性理论和变分原理 ,研究了V型河谷岩体地应力问题 ,得到了河谷岩体中由于自重应力和构造应力引起的复杂应力场。应用本文结果 ,不仅可以方便绘制各种应力图件 ,而且可以较为精确地得到河谷区域任意指定点的应力值 ,从而为区域稳定性和岩体稳定性评价 ,为水电工程、地下硐室设计以及边坡工程等提供必要的岩体力学资料。本文方法数值实现简单 ,编程容易 ,计算快 ,精度高 ,可应用推广.     

确定边坡最危险滑动面的计算机模拟

边坡稳定性分析 ,关键是确定潜在的滑动面 ,目的是有利于工程安全。本文编制了二、三维计算机模拟程序 ,在二维模拟中提出了四种计算模式 ,三维模拟中考虑了空间、荷载、渗流效应 ,结合工程实例对边坡进行模拟并对土层抗剪强度参数进行了反演 ,模拟计算与实测结果吻合 ,模拟出的抗剪强度参数平均值与实测的抗剪强度参数标准值相当     

共和干热岩地热井GR2井区三维地应力场反演分析

GR2 地热井位于共和恰卜恰镇，干热岩地热井井深达到4000 米，大深度井区极大增加了反演的难度．井区附近20 千米内无大型构造，附近地应力场的主要影响因素为板块构造应力和自重应力．由于井中未进行三维地应力场测井工作，所以我们以地面地应力调查结果和震源机制解反演结果为依据，基于MIDAS GTS 和大比例尺高清卫星云图建立有限元数值模型，使用改进的边界法进行反演计算，最终预估了井中地应力场分布特征．对于后续的井网布置以及干热岩井场开采具有重要意义．     

偏压条件下大型地下厂房围岩变形稳定性分析

根据下坂地水库协力波斯电站工程建设实际,在现场调查和电站区勘探、测试资料基础上深入分析地下厂房地质条件,建立了能够反映厂区地形地貌、岩体结构和地应力状态的三维数值模型。根据地应力实测资料反演拟合初始地应力场背景值,采用三维弹塑性有限差分法模拟了在偏压条件下地下厂房、主变室开挖过程中围岩变形和稳定性状况,揭示了各开挖阶段应力的集中部位和围岩潜在破坏部位,这对于工程具有重要的指导意义。     

深部花岗岩钻孔卸荷三维数值模拟

为了解决深部岩体掘进效率低、能耗大的问题,提出一种三维模拟的方法对深部岩石钻孔分析。采用ABAQUS软件建立动力学模型,结合切片法针对钻孔卸荷形成应力集中区域沿深度分布规律模拟分析;分析深部高应力花岗岩钻孔卸荷后形成的应力集中区沿深度变化的规律,研究在不同地应力的环境下不同钻孔深度及直径条件下应力的变化规律。结果表明:在50MPa地应力下钻孔直径为80mm和钻孔深度为120cm时,形成的应力集中区最大,成孔后岩体内部最大应力最小,卸荷效果显著。对于不同地应力的最佳钻孔卸荷参数不同,但都达到明显卸荷效果。研究结果为深部硬岩破岩机理和提高破岩效率提供了方法和理论依据。     

金川露天矿边坡岩体移动和变形的光弹性软材料模拟实验研究

通过对边坡岩体破坏机理的光弹性力学模拟实验研究, 岩体在地应力作用和自重体积力作用下, 对露天矿边坡的力学状态具有明显地影响。实验采用了明胶软材料, 模型比例1：1100。实验模拟了在自重应力和构造应力作用下, 边坡岩体的位移和变形。     

瑞典爱斯泼硬岩实验场地应力研究

爱斯泼 (A..sp o..)硬岩实验场 (HRL)是瑞典拟建的永久储放核废料的场地。实测地应力结果表明, 应力的大小和方位变化较为复杂。通过初步分析认为, 场地附近地应力的变化与断裂构造的发育有关。应用离散元方法, 分别选择平面模型和剖面模型模拟了应力场。模拟结果表明, 地应力的量值和方位在断裂附近均发生明显变化, 且与实测结果较吻合。主应力在断裂附近发生不同程度的偏转, 偏转的幅度与断裂走向和区域应力方向之间的夹角有关。应力的量值在断裂附近也有明显变化。在剖面模型中, 较缓倾角断裂模型的模拟结果最接近实测结果。文中还探讨了断裂带法向刚度和切向刚度的计算方法。     

深孔爆破技术在高地应力低透气性高瓦斯煤层增透防突中的适用性

同时考虑爆炸波、爆生气体、煤层原始瓦斯压力和煤层地应力的作用,对不同地应力条件下的高瓦斯低透气性煤层深孔爆破进行了有限差分动力数值模拟,并与室内相似模型实验和相关现场实践进行了对比。结果表明:地应力对煤层深孔爆破效果的影响显著,尤其对于高地应力煤层,地应力严重抑制着煤层爆生裂隙的扩展,煤层爆生裂隙半径随地应力的增大而近线性地减小,但深孔爆破技术对于高应力低透气性煤层仍可取得良好的增透效果;煤层地应力的主应力方向在一定程度上影响着爆生裂隙的扩展方向,实际工程需结合煤层地应力状况来布置爆破孔的空间位置。     

钻孔岩芯饼状断裂破坏机制

本文首先阐述岩芯饼状断裂及其特征, 进而用断裂力学的理论与方法对岩饼破坏进行了断裂扩张机制的分析, 不但合理地解释了断裂特征及断裂破坏机制, 且以二滩坝址为例, 分析了产生钻孔岩饼的微裂纹条件及应力条件, 为定量地评价坝址地应力状态, 包括其大小及方向提供了一种新的方法。上述不仅具有重要的理论意义, 而且具有重要的工程实际意义。     

滚动接触下的轨道表面三维裂纹研究方法

针对已有的求解三维裂纹的应力强度因子方法工作量大、难以实现复杂的三维模型建立的问题,提出了一种求解广义移动荷载下三维裂纹尖端应力强度因子的普遍方法。采用包络式三维实体建模方法,有效避免了三维裂纹有限元模型网格划分时因受限于拓扑误差容忍而出现网格划分失败的现象;通过MATLAB三维插值施加节点荷载,解决了不规则三维裂纹有限元模型施加复杂空间荷载的难题。计算结果表明:荷载中心距离裂纹中心约4mm时裂纹尖端应力强度因子达到最大值7.41×107Pa·m1/2;轮轨接触疲劳以张开型为主。此外,给出了最大应力强度因子条件下裂纹尖端塑性区的分布及裂纹扩展情况,可为轮轨滚动接触疲劳的研究及设计提供一定的参考。     

一种基于复变量求导法的岩土体抗剪强度参数反演新方法

边坡稳定性分析中,岩土体(含结构面)抗剪强度参数的确定至为重要.工程实践中利用边坡上实测的位移数据反演岩土参数是一种理想的参数确定方法.当前采用的位移反分析方法在反演弹性模量、泊松比及地应力等参数时已经取得了较好的成果,但在反演抗剪强度参数时仍未获得理想的结果.本文针对岩土体抗剪强度参数反演中所存在的困难,将复变量求导法、优化方法以及岩土弹塑性有限元法结合起来,提出一种适用于岩土体抗剪强度参数的反演分析新方法,通过测点实测位移反演计算出岩土体的抗剪强度参数.算例结果表明,该方法具有较高的计算精度和搜索效率,是一种值得推广的位移反分析方法.     

多簇压裂干扰应力变化规律及对裂纹扩展的影响

为研究水平井分段多簇压裂缝间的干扰应力及其对裂纹扩展的影响,在现有二维未考虑地应力的单裂缝干扰应力解析解的基础上,利用双平面复变函数保角变换得到了包含地应力项的三维干扰应力解析解。基于扩展有限元法建立三维多裂缝扩展力学模型,利用Python脚本二次开发平台实现了三维多裂缝水力压裂参数化建模,通过解析解与数值计算对比分析,得到如下结论。裂纹两侧裂纹面法向和走向干扰正应力分别为压应力和拉应力,均呈纺锤形,法向干扰应力影响范围大约为走向干扰应力的5倍;裂纹尖端裂纹面法向和走向干扰正应力分别为拉应力和压应力;裂纹尖端两侧存在干扰剪应力;考虑初始地应力对干扰应力解析解进行修正后的干扰应力值均变小;多簇压裂中裂缝间的干扰应力叠加,簇间距越小,叠加效果越强;多簇压裂的干扰应力使裂缝间裂纹面法向压应力增大,走向压应力减小,导致裂纹扩展注水压力升高,裂缝张开的宽度降低,不利于单裂缝的扩展;干扰应力使裂缝间应力差降低,甚至局部最小地应力方向发生改变,有利于形成复杂缝网。     

岩土的一种强度准则及其变换应力法

基于岩土摩擦性,假设岩土破坏是由其物理空间内特征面上的应力比决定,提出了等效应力比的概念,即物理空间特征面上的剪应力合力与正应力合力的比值.在二维条件下,等效应力比可表示为σ-τ坐标系下与摩尔圆相切的直线扣除截距正切值;在三维条件下,假设在XYZ空间内存在一三维物理空间平面,此三维空间特征平面的等效应力比为影响材料强度特性的决定性因素,基于上述三维空间特征面建立了强度准则并称之为a准则.SMP准则以及广义Mises准则都是a准则的特例,当二维坐标中的截距为零时,则强度准则退化为SMP(spatially mobilized plane)强度准则,而当正切角为零时,则强度准则退化为广义Mises准则.而当截距与外切角均不为零时,则强度准则为介于上述两者之间的一种强度准则,在偏平面上为介于SMP曲边三角形与广义Mises圆形之间的曲边三角形.在子午面上,采用考虑岩土压剪耦合的屈服准则,破坏准则采用幂函数表达式.在偏平面上提出了基于a准则的形状函数,并采用真三维应力状态表示的破坏强度准则表示在三轴压缩路径下以p,q二维应力变量表达的准则公式,推导得到了基于a准则的变换应力公式,可简单地将一般以p,q为基本变量的二维模型转变为三维应力模型.通过强度以及多种应力路径的测试对比,验证了a准则及基于该准则的变换应力公式的合理性.     

高地应力岩体多孔爆破破岩机制

深部岩体爆破破岩是爆炸荷载与高地应力共同作用的结果。基于一些简化假设，建立了一个高地应力岩体双孔爆破计算模型，采用光滑粒子流体力学-有限元方法耦合数值模拟方法，研究了高地应力作用下炮孔间裂纹的传播及贯通过程，分析了炮孔周围应力场动态演化过程与分布特征。研究结果表明:爆破引起的岩体开裂主要是环向动拉应力所致，地应力对岩体的压缩降低了炮孔周围环向动拉应力、缩短了环向动拉应力的作用时间，因而对爆炸致裂起抑制作用；静水地应力条件下多孔爆破时，垂直于炮孔连线方向传播的爆生裂纹更易受到地应力的抑制；对于高地应力岩体爆破，炮孔间的裂纹扩展长度随地应力水平的提高而减小，裂纹主要沿最大主应力方向扩展，因此沿最大主应力方向布置炮孔、缩短炮孔间距有利于炮孔间裂纹的连接贯通，形成良好的爆破开挖面。     

基于最大最小原理的三维边坡稳定性探讨

最大最小原理在边坡稳定性分析中的应用,不仅可以检验所建模型的准确性,还可以进一步获得改进计算模型的相关条件。本文利用三维简化Sarma法,分析了滑面剪切力方向采用不同的分布形式引起的稳定系数的变化,计算结果表明,不管采用何种分布形式,当它发生变化时,对应的稳定系数总是存在一个极大值,这就证明了边坡稳定性最大原理在三维边坡稳定分析中的适用性; 同时,本文还在一种严格的二维临界滑面搜索算法的基础上,建立了三维临界滑面搜索的算法,利用ZhangXing算例详细分析了目标函数中各变量对稳定系数的影响,结果表明,二维上寻找临界滑面是切实可行的,这也证明最小原理在二维边坡稳定分析中是满足的,三维上则由于三维极限平衡法未考虑三维边坡的边界条件,导致基于三维极限平衡法的三维临界滑面理论上不存在,三维边坡稳定分析结果与最小原理的要求有一定的差异。     

求解三维弹性力学问题的快速耦合方法

将多种数值方法耦合,充分利用各种方法的优点建立新的数值方法,是求解三维复杂问题的有效途径之一．本文将无单元Galerkin (Element-Free Galerkin, EFG)方法、有限元法和维数分裂法耦合,提出了求解三维弹性力学问题的快速耦合方法(Fast Hybrid Method, FHM)．将三维弹性力学问题分裂为若干个二维平面问题,对于每个二维问题采用罚函数法施加边界条件,并推导其相应的积分弱形式,引入Shepard基函数的移动最小二乘法建立形函数,进而推导二维平面问题的离散方程．第三个方向上采用有限元法将这些二维离散方程进行耦合,可以得到原三维弹性力学问题的快速耦合方法数值解的求解公式．通过数值算例验证了本文快速耦合方法求解三维弹性力学问题的收敛性,将数值解与解析解对比,说明了本文方法求解三维弹性力学问题的有效性．     

水平层状岩体边坡动力响应中的结构面效应研究

根据应力波传播原理分析了水平层状岩体边坡中应力波传播特征,建立了应力波在该类边坡中传播的模型。利用离散元软件UDEC分析了不同频率垂向压缩应力波作用下边坡动力响应规律中的结构面效应。结果表明:边坡中的水平层面对坡顶的动力响应有明显影响。低频应力波作用下,水平层状岩体边坡坡顶的垂向峰值速度较均质坡体相同部位的峰值速度的增加值随坡高增加而增大。较高频率应力波作用时,边坡顶部靠近坡面的垂向峰值速度高于无结构面边坡相同部位的峰值速度,远离坡面时情况相反; 坡顶垂向峰值速度大小呈周期性变化,输入应力波频率越大该变化频次越高。研究结果将有助于进一步揭示各种不同岩体结构类型边坡在动力荷载作用下损伤机理及破坏模式。