大型地下洞室群地震響應與結構面控制型圍巖穩(wěn)定研究
定 價：31.5 元
- 作者：張雨霆 著
- 出版時間：2014/1/1
- ISBN：9787307123755
- 出 版 社：武漢大學出版社
- 中圖法分類：TV731
- 頁碼：292
- 紙張：膠版紙
- 版次：1
- 開本：16開
水力發(fā)電是我國能源供給的重要組成部分。我國西南地區(qū)是高地震烈度區(qū)，目前在建和待建的大型水電站多分布于西南地區(qū)的金沙江、雅礱江、瀾滄江和大渡河等流域，且多采用地下式廠房。大型地下洞室群規(guī)模大，空間分布和洞室所賦存的地質條件都很復雜，一旦發(fā)生地震災變，將嚴重影響國家的能源安全。目前，大型地下洞室群的地震響應分析方法和安全評判準則研究還很不充分，且缺乏系統(tǒng)性，因此研究大型地下洞室群的地震響應分析和圍巖穩(wěn)定評判方法具有重大的現(xiàn)實意義，有利于為實際工程提供智力支持。
張雨霆編著的這本《大型地下洞室群地震響應與結構面控制型圍巖穩(wěn)定研究》圍繞大型地下洞室群地震響應分析和圍巖穩(wěn)定評判中的幾個關鍵問題，即大型地下洞室群的地震響應分析方法、動力計算的多尺度優(yōu)化方法、結構面控制型圍巖破壞分析方法和地震作用下地下洞室群圍巖穩(wěn)定評判方法展開了研究和探討，提出了一系列方法，并編制了相應的計算分析程序，通過算例驗證和實例應用證明了所提方法的有效性和可靠性，取得了良好的應用效果。《大型地下洞室群地震響應與結構面控制型圍巖穩(wěn)定研究》主要包括以下幾個方面的研究內容： （1）在查閱大量巖體動態(tài)響應特性文獻的基礎上，總結了巖體在地震荷載作用下的動態(tài)響應規(guī)律，并以地下洞室為研究對象，通過數(shù)值計算，研究了地下洞室賦存巖體在地下荷載作用下的應變率分布規(guī)律，為動力分析時巖體物理力學參數(shù)的取值提供依據(jù)。在總結歸納巖體在地震荷載作用下的動態(tài)響應規(guī)律基礎上，提出地下洞室地震響應分析的三維彈塑性損傷動力有限元方法，并將該方法應用于汶川地震震中映秀灣水電站地下洞室的震損分析。工程應用實例表明，數(shù)值計算成果的圍巖拉裂區(qū)、地震過程中巖體的位移總體變化規(guī)律、洞室圍巖特征部位的變形規(guī)律、圍巖應力分布等指標，都與現(xiàn)場調查結論較為一致，可以大致解釋在震害調查中所發(fā)現(xiàn)的各種震損現(xiàn)象。數(shù)值分析成果可信度高，且具備一定的代表性，為震后的加固和修復工作提供了參考。采用三維彈塑性損傷動力有限元方法對地下洞室地震響應問題進行概化和分析是合理可行的。
（2）針對大型復雜結構動力分析計算量大、耗時長的問題，提出了大型地下洞室群地震響應的多尺度優(yōu)化分析方法。在時域尺度優(yōu)化方面，提出了結構動力分析中實測強震加速度時域選取的優(yōu)化算法，能夠有效縮短計算采用的實測地震波持時，顯著縮短動力計算時間；在空間尺度優(yōu)化方面，提出了大型地下洞室群地震響應分析的動力子模型法和動力計算模型及合理截取范圍的確定方法，使得洞室結構動力計算模型能夠不建至地表，并縮減模型覆蓋范圍，有效地壓縮了動力分析計算量。實例分析不僅驗證了算法的有效性，也證明了算法的可靠性，為大型地下洞室群的地震響應提供了一個顯著提升分析效率的實現(xiàn)途徑。
（3）針對有限元方法尚不能有效地分析地質斷層滑移、塊體失穩(wěn)等結構面控制型的圍巖破壞問題，提出了基于有限元方法的結構面控制型圍巖破壞分析方法。該方法由結構面建模、斷層結構計算、塊體識別和塊體穩(wěn)定評價4部分組成。首先，提出了基于單元重構的巖土工程復雜地質斷層建模方法，實現(xiàn)了任意分布的復雜地質結構面的有限元快速建模；其次，提出了基于復合強度準則的薄層單元地質斷層結構計算方法，實現(xiàn)了含地質斷層結構的地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析，能夠通過計算得到的層面張開、滑移狀態(tài)和層面滑動安全系數(shù)，評價地質斷層對地下洞室的影響；然后，提出了基于有限元網(wǎng)格的地下洞室群三維復雜塊體系統(tǒng)識別算法，能夠在考慮地下洞室群復雜臨空面組合的基礎上，實現(xiàn)對洞周塊體的搜索和不穩(wěn)定塊體的識別；最后，提出了考慮層面應力作用的塊體穩(wěn)定性分析方法，能夠使塊體的穩(wěn)定性評價考慮周邊圍巖對其的擠壓和剪切作用的影響，更符合地下洞室塊體的實際情況。該基于有限元的結構面控制型圍巖破壞分析可概括為“結構面建模一薄層單元計算一洞周塊體搜索一考慮層面應力的塊體穩(wěn)定性評價 ”四個步驟，這些工作均在有限元模型基礎上完成，形成了一套完整的分析地下洞室結構面控制型圍巖破壞的方法。算例驗證和與實際工程監(jiān)測資料對比表明：這一套方法較為有效地實現(xiàn)了有限元方法對地質斷層滑移和塊體失穩(wěn)評價等結構面控制型圍巖破壞分析，為地下洞室圍巖穩(wěn)定分析提供一個新的思路。
（4）針對地震作用下地下洞室圍巖穩(wěn)定評價的問題，提出了基于彈塑性損傷動力有限元的圍巖穩(wěn)定地震響應松動判據(jù)。采用圍巖松動的概念，推導了圍巖出現(xiàn)松動時的損傷系數(shù)閾值，可采用彈塑性損傷動力有限元分析計算成果來評價圍巖在地震作用后的松動程度。然后，基于圍巖地震響應分析的波動解法，探討了地震作用下地下洞室群的整體穩(wěn)定性評判方法，并對提出了震后加固措施效果的評價方法；結合結構面控制型圍巖破壞的有限元分析方法，研究了地震作用對地下洞室地震斷層結構和塊體穩(wěn)定的影響。
張雨霆，男，2011年畢業(yè)于武漢大學水利水電學院水利水電工程專業(yè)，獲博士學位。論文獲湖北省優(yōu)秀博士學位論文獎�，F(xiàn)在長江水利委員會長江科學院工作。
第1章 緒論 1.1 選題背景和研究意義 1.1.1 地下工程的現(xiàn)狀 1.1.2 地震災害概況 1.1.3 問題的提出 1.2 主要科學問題及國內外研究進展 1.2.1 地下 第1章 緒論 1.1 選題背景和研究意義 1.1.1 地下工程的現(xiàn)狀 1.1.2 地震災害概況 1.1.3 問題的提出 1.2 主要科學問題及國內外研究進展 1.2.1 地下洞室群地震響應分析的研究方法 1.2.2 大型復雜結構動力分析高效計算的實現(xiàn)途徑 1.2.3 地下洞室群圍巖穩(wěn)定分析方法 1.2.4 地震作用下洞室群圍巖穩(wěn)定判據(jù)研究 1.3 本書的研究內容與技術路線第2章 三維彈性有限元動力計算平臺的開發(fā) 2.1 概述 2.2 系統(tǒng)運動方程 2.2.1 動力平衡方程 2.2.2 單元剛度矩陣 2.2.3 單元質量矩陣 2.2.4 單元阻尼矩陣 2.3 人工邊界條件 2.3.1 基本概念與分類 2.3.2 黏彈性人工邊界原理 2.3.3 等效黏彈性邊界單元與設置方法 2.4 地震荷載的輸入 2.4.1 動力分析問題的分類 2.4.2 人工邊界的波場分解 2.4.3 內行波場的計算 2.4.4 輸入地震荷載的求解 2.5 運動方程的求解 2.6 算例驗證 2.6.1 內源荷載輸入 2.6.2 外源荷載輸入 2.7 結構地震響應分析時的若干問題 2.7.1 地震波的選取 2.7.2 動力計算對模型網(wǎng)格尺寸的要求 2.7.3 強震監(jiān)測數(shù)據(jù)的濾波和基線校正 2.7.4 地下洞室地震響應時輸入地震波的折減 2.7.5 近場實測強震數(shù)據(jù)的方向變換 2.8 本章小結第3章 地下洞室三維彈塑性損傷動力有限元分析 3.1 概述 3.2 地震荷載作用下巖體的動態(tài)響應特性 3.2.1 巖體在動力荷載作用下的響應特性 3.2.2 地震荷載作用下地下洞室的應變率分布規(guī)律 3.2.3 洞室地震響應分析時巖體物理力學參數(shù)的取值 3.2.4 本節(jié)小結 3.3 三維彈塑性損傷動力有限元分析 3.3.1 屈服準則與塑性本構關系 3.3.2 巖石損傷破壞的本構方程 3.3.3 動力彈塑性損傷有限元迭代方法 3.3.4 動力分析計算基本過程 3.4 實例分析 3.4.1 工程概況 3.4.2 震后實地震損調查 3.4.3 實測強震數(shù)據(jù)分析 3.4.4 地下洞室地震響應分析 3.4.5 本節(jié)小結第4章 大型地下洞室群地震響應的多尺度優(yōu)化分析方法 4.1 概述 4.2 結構動力分析中實測強震加速度時域選取的優(yōu)化算法 4.2.1 問題描述 4.2.2 基本思路 4.2.3 實測強震加速度數(shù)據(jù)能量的時域表示 4.2.4 瞬時能量下限值的確定 4.2.5 時域優(yōu)化過程中的若干問題處理 4.2.6 優(yōu)化算法的有效性驗證 4.2.7 優(yōu)化算法的可靠性驗證 4.2.8 優(yōu)化算法的實質 4.2.9 結論和討論 4.3 大型地下洞室群地震響應分析的動力子模型法 4.3.1 問題描述 4.3.2 基本思路 4.3.3 基于幅值折減的地震波動場計算 4.3.4 動力子模型法的實現(xiàn) 4.3.5 算例驗證 4.3.6 動態(tài)子結構法及其與動力子模型法的區(qū)別 4.3.7 結論和討論 4.4 地下洞室地震響應計算的結構模型合理截取范圍確定方法 4.4.1 問題描述 4.4.2 基本方法 4.4.3 計算工況和參數(shù)設置 4.4.4 結構計算模型的合理截取范圍分析 4.4.5 結論和討論 4.5 本章小結第5章 地下洞室群結構面控制型圍巖破壞的有限元分析 5.1 概述 5.2 基于單元重構的巖土工程復雜地質斷層建模方法 5.2.1 問題描述 5.2.2 基本思路 5.2.3 基于單元重構技術的結構面建模 5.2.4 巖土工程中的復雜地質斷層建模實例 5.2.5 含地質斷層的重構模型計算分析 5.2.6 討論 5.2.7 結論 5.3 基于薄層單元的地下洞室斷層結構計算分析 5.3.1 基于形函數(shù)通用格式的多種形態(tài)單元計算 5.3.2 考慮復合強度準則的地質斷層結構計算 5.3.3 實例分析 5.4 大型地下洞室群三維復雜塊體系統(tǒng)的搜索和穩(wěn)定分析 5.4.1 基于有限元網(wǎng)格的塊體識別方法 5.4.2 算例驗證 5.4.3 工程應用 5.4.4 結論 5.5 考慮結構面層面應力作用的塊體穩(wěn)定分析 5.5.1 概述 5.5.2 考慮結構面層面應力作用的塊體穩(wěn)定計算 5.5.3 實例分析 5.5.4 討論第6章 地震作用下地下洞室群圍巖穩(wěn)定的安全評判方法 6.1 概述 6.2 基于彈塑性損傷動力有限元的圍巖穩(wěn)定地震響應松動判據(jù) 6.2.1 基本思路 6.2.2 圍巖松動的評判標準 6.2.3 工程實例分析 6.3 基于地震響應波動解法的地下洞室群圍巖穩(wěn)定性評判 6.3.1 基本理論 6.3.2 地震作用下地下洞室群的整體穩(wěn)定性評判 6.3.3 地震作用下地下洞室群圍巖局部穩(wěn)定分析第7章 結論與展望 7.1 結論 7.2 展望參考文獻攻博期間發(fā)表的論文及科研成果目錄致謝
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