大型地下洞室群地震响应与结构面控制型围岩稳定研究

第1章 绪论

1.1 选题背景和研究意义

1.1.1 地下工程的现状

1.1.2 地震灾害概况

1.1.3 问题的提出

1.2 主要科学问题及国内外研究进展

1.2.1 地下洞室群地震响应分析的研究方法

1.2.2 大型复杂结构动力分析高效计算的实现途径

1.2.3 地下洞室群围岩稳定分析方法

1.2.4 地震作用下洞室群围岩稳定判据研究

1.3 本书的研究内容与技术路线

第2章 三维弹性有限元动力计算平台的开发

2.1 概述

2.2 系统运动方程

2.2.1 动力平衡方程

2.2.2 单元刚度矩阵

2.2.3 单元质量矩阵

2.2.4 单元阻尼矩阵

2.3 人工边界条件

2.3.1 基本概念与分类

2.3.2 黏弹性人工边界原理

2.3.3 等效黏弹性边界单元与设置方法

2.4 地震荷载的输入

2.4.1 动力分析问题的分类

2.4.2 人工边界的波场分解

2.4.3 内行波场的计算

2.4.4 输入地震荷载的求解

2.5 运动方程的求解

2.6 算例验证

2.6.1 内源荷载输入

2.6.2 外源荷载输入

2.7 结构地震响应分析时的若干问题

2.7.1 地震波的选取

2.7.2 动力计算对模型网格尺寸的要求

2.7.3 强震监测数据的滤波和基线校正

2.7.4 地下洞室地震响应时输入地震波的折减

2.7.5 近场实测强震数据的方向变换

2.8 本章小结

第3章 地下洞室三维弹塑性损伤动力有限元分析

3.1 概述

3.2 地震荷载作用下岩体的动态响应特性

3.2.1 岩体在动力荷载作用下的响应特性

3.2.2 地震荷载作用下地下洞室的应变率分布规律

3.2.3 洞室地震响应分析时岩体物理力学参数的取值

3.2.4 本节小结

3.3 三维弹塑性损伤动力有限元分析

3.3.1 屈服准则与塑性本构关系

3.3.2 岩石损伤破坏的本构方程

3.3.3 动力弹塑性损伤有限元迭代方法

3.3.4 动力分析计算基本过程

3.4 实例分析

3.4.1 工程概况

3.4.2 震后实地震损调查

3.4.3 实测强震数据分析

3.4.4 地下洞室地震响应分析

3.4.5 本节小结

第4章 大型地下洞室群地震响应的多尺度优化分析方法

4.1 概述

4.2 结构动力分析中实测强震加速度时域选取的优化算法

4.2.1 问题描述

4.2.2 基本思路

4.2.3 实测强震加速度数据能量的时域表示

4.2.4 瞬时能量下限值的确定

4.2.5 时域优化过程中的若干问题处理

4.2.6 优化算法的有效性验证

4.2.7 优化算法的可靠性验证

4.2.8 优化算法的实质

4.2.9 结论和讨论

4.3 大型地下洞室群地震响应分析的动力子模型法

4.3.1 问题描述

4.3.2 基本思路

4.3.3 基于幅值折减的地震波动场计算

4.3.4 动力子模型法的实现

4.3.5 算例验证

4.3.6 动态子结构法及其与动力子模型法的区别

4.3.7 结论和讨论

4.4 地下洞室地震响应计算的结构模型合理截取范围确定方法

4.4.1 问题描述

4.4.2 基本方法

4.4.3 计算工况和参数设置

4.4.4 结构计算模型的合理截取范围分析

4.4.5 结论和讨论

4.5 本章小结

第5章 地下洞室群结构面控制型围岩破坏的有限元分析

5.1 概述

5.2 基于单元重构的岩土工程复杂地质断层建模方法

5.2.1 问题描述

5.2.2 基本思路

5.2.3 基于单元重构技术的结构面建模

5.2.4 岩土工程中的复杂地质断层建模实例

5.2.5 含地质断层的重构模型计算分析

5.2.6 讨论

5.2.7 结论

5.3 基于薄层单元的地下洞室断层结构计算分析

5.3.1 基于形函数通用格式的多种形态单元计算

5.3.2 考虑复合强度准则的地质断层结构计算

5.3.3 实例分析

5.4 大型地下洞室群三维复杂块体系统的搜索和稳定分析

5.4.1 基于有限元网格的块体识别方法

5.4.2 算例验证

5.4.3 工程应用

5.4.4 结论

5.5 考虑结构面层面应力作用的块体稳定分析

5.5.1 概述

5.5.2 考虑结构面层面应力作用的块体稳定计算

5.5.3 实例分析

5.5.4 讨论

第6章 地震作用下地下洞室群围岩稳定的安全评判方法

6.1 概述

6.2 基于弹塑性损伤动力有限元的围岩稳定地震响应松动判据

6.2.1 基本思路

6.2.2 围岩松动的评判标准

6.2.3 工程实例分析

6.3 基于地震响应波动解法的地下洞室群围岩稳定性评判

6.3.1 基本理论

6.3.2 地震作用下地下洞室群的整体稳定性评判

6.3.3 地震作用下地下洞室群围岩局部稳定分析

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻博期间发表的论文及科研成果目录

致谢

水力发电是我国能源供给的重要组成部分。我国西南地区是高地震烈度区，目前在建和待建的大型水电站多分布于西南地区的金沙江、雅砻江、澜沧江和大渡河等流域，且多采用地下式厂房。大型地下洞室群规模大，空间分布和洞室所赋存的地质条件都很复杂，一旦发生地震灾变，将严重影响国家的能源安全。目前，大型地下洞室群的地震响应分析方法和安全评判准则研究还很不充分，且缺乏系统性，因此研究大型地下洞室群的地震响应分析和围岩稳定评判方法具有重大的现实意义，有利于为实际工程提供智力支持。
　　《武汉大学优秀博士学位论文文库：大型地下洞室群地震响应与结构面控制型围岩稳定研究》围绕大型地下洞室群地震响应分析和围岩稳定评判中的几个关键问题，即大型地下洞室群的地震响应分析方法、动力计算的多尺度优化方法、结构面控制型围岩破坏分析方法和地震作用下地下洞室群围岩稳定评判方法展开了研究和探讨，提出了一系列方法，并编制了相应的计算分析程序，通过算例验证和实例应用证明了所提方法的有效性和可靠性，取得了良好的应用效果。《武汉大学优秀博士学位论文文库：大型地下洞室群地震响应与结构面控制型围岩稳定研究》主要包括以下几个方面的研究内容：（1）在查阅大量岩体动态响应特性文献的基础上，总结了岩体在地震荷载作用下的动态响应规律，并以地下洞室为研究对象，通过数值计算，研究了地下洞室赋存岩体在地下荷载作用下的应变率分布规律，为动力分析时岩体物理力学参数的取值提供依据。在总结归纳岩体在地震荷载作用下的动态响应规律基础上，提出地下洞室地震响应分析的三维弹塑性损伤动力有限元方法，并将该方法应用于汶川地震震中映秀湾水电站地下洞室的震损分析。工程应用实例表明，数值计算成果的围岩拉裂区、地震过程中岩体的位移总体变化规律、洞室围岩特征部位的变形规律、围岩应力分布等指标，都与现场调查结论较为一致，可以大致解释在震害调查中所发现的各种震损现象。数值分析成果可信度高，且具备一定的代表性，为震后的加固和修复工作提供了参考。采用三维弹塑性损伤动力有限元方法对地下洞室地震响应问题进行概化和分析是合理可行的。
　　（2）针对大型复杂结构动力分析计算量大、耗时长的问题，提出了大型地下洞室群地震响应的多尺度优化分析方法。在时域尺度优化方面，提出了结构动力分析中实测强震加速度时域选取的优化算法，能够有效缩短计算采用的实测地震波持时，显著缩短动力计算时间；在空间尺度优化方面，提出了大型地下洞室群地震响应分析的动力子模型法和动力计算模型及合理截取范围的确定方法，使得洞室结构动力计算模型能够不建至地表，并缩减模型覆盖范围，有效地压缩了动力分析计算量。实例分析不仅验证了算法的有效性，也证明了算法的可靠性，为大型地下洞室群的地震响应提供了一个显著提升分析效率的实现途径。
　　（3）针对有限元方法尚不能有效地分析地质断层滑移、块体失稳等结构面控制型的围岩破坏问题，提出了基于有限元方法的结构面控制型围岩破坏分析方法。该方法由结构面建模、断层结构计算、块体识别和块体稳定评价4部分组成。首先，提出了基于单元重构的岩土工程复杂地质断层建模方法，实现了任意分布的复杂地质结构面的有限元快速建模；其次，提出了基于复合强度准则的薄层单元地质断层结构计算方法，实现了含地质断层结构的地下洞室围岩稳定性分析，能够通过计算得到的层面张开、滑移状态和层面滑动安全系数，评价地质断层对地下洞室的影响；然后，提出了基于有限元网格的地下洞室群三维复杂块体系统识别算法，能够在考虑地下洞室群复杂临空面组合的基础上，实现对洞周块体的搜索和不稳定块体的识别；最后，提出了考虑层面应力作用的块体稳定性分析方法，能够使块体的稳定性评价考虑周边围岩对其的挤压和剪切作用的影响，更符合地下洞室块体的实际情况。该基于有限元的结构面控制型围岩破坏分析可概括为“结构面建模一薄层单元计算一洞周块体搜索一考虑层面应力的块体稳定性评价”四个步骤，这些工作均在有限元模型基础上完成，形成了一套完整的分析地下洞室结构面控制型围岩破坏的方法。算例验证和与实际工程监测资料对比表明：这一套方法较为有效地实现了有限元方法对地质断层滑移和块体失稳评价等结构面控制型围岩破坏分析，为地下洞室围岩稳定分析提供一个新的思路。
　　（4）针对地震作用下地下洞室围岩稳定评价的问题，提出了基于弹塑性损伤动力有限元的围岩稳定地震响应松动判据。采用围岩松动的概念，推导了围岩出现松动时的损伤系数阈值，可采用弹塑性损伤动力有限元分析计算成果来评价围岩在地震作用后的松动程度。然后，基于围岩地震响应分析的波动解法，探讨了地震作用下地下洞室群的整体稳定性评判方法，并对提出了震后加固措施效果的评价方法；结合结构面控制型围岩破坏的有限元分析方法，研究了地震作用对地下洞室地震断层结构和块体稳定的影响。