基于UDEC的岩层与地表移动动态模拟研究_刘吉波
模型建立的思想： 基于瞬时开采岩层及地表移 学参数。地质采矿条件： 采深 700m，松散层厚度
动的传递速度，以一定尺寸的开采距离为开采单 400m，基岩厚度 300m，采厚 3m，煤层倾角 0°。
表 2 数值模拟物理力学参数
序号
1 2 3 4 5 6
岩性
松散层 黏土岩、中砂岩 粉砂岩、细砂岩
中细砂岩 煤
3 推进速度及岩性对模拟结果的影响
3. 1 推进速度影响分析 3. 1. 1 地表动态移动变形规律
工作面推进过程中，引起上覆岩层的移动变形 随时间变化，推进速度的大小，直接影响岩层移动 传递的时间。按照开采单元尺寸 100m 计算，通过 分析 匀 速 推 进 2m / d，10m / d 地 表 动 态 下 沉 曲 线 （ 见图 3 （ a） 和图 3 （ b） ） 可知，随着推进速度
假设采动破坏的传递速度与开采的充分程度 （ 宽深比） 有关，认为地下煤层开采引起的移动变 形传至地表所需的数值模拟迭代次数为传递速度。 为了验证假设的正确性，进行了不同采深不同充分 度条件下模型开采引起地表下沉 10mm 的模拟迭代
［收稿日期］ 2014－03－28
［DOI］ 10. 13532 / j. cnki. cn11－3677 / td. 2014. 03. 030
2 动态预计模型建立与验证分析
ni
=
A（ L / H0
1
+
v0 － vi ） 2v0
（ 1）
式中，ni 为开采单元所需的迭代次数； A 为模型平
衡所需迭代次数； L /H0 为推进距离与采深比值；
v0 为模型无速度影响中值，m / d； vi 为开采单元的
推进速度，m /d。
当工作面停止后，迭代次数与时间成正比，具
2. 2. 2 模拟结果与实测对比分析 开采单元距离为 20m，工作面推进过程中，每
个开采单元的迭代次数采用公式 （ 1） 计算，工作 面停采后，仅时间因素对迭代次数有影响，因此利 用公式 （ 2） 计算。图 1 为数值模拟预计地表动态 下沉曲线，图 2 为地表动态预计水平移动曲线。通 过对比分析，数值模拟结果与实测数据比较吻合。
快速推进形成的开采空间上覆岩层的整体性较 强，应力分布均匀，覆岩块体跨度较大。低速推进 形成的开采空间上覆岩层整体性较弱，应力分布较 为集中。 3. 2 岩性影响分析 3. 2. 1 地表动态移动变形规律
通过改变岩石的物理力学参数研究不同软硬程 度岩性条件对移动变形的影响规律，如图 4 所示。
推进距离： 1－300m； 2－600m； 3－1100m； 4－1700m； 5－2600m
图 3 不同匀速开采速度地表动态移动变形曲线
图 3 （ c） 和图 3 （ d） ） 具有与下沉相似的规律， 即水平移动量与推进速度成反比。 3. 1. 2 岩层动态移动变形规律
低速推进时，整个开采过程具有充足的时间将 106
推进距离： 1－300m； 2－600m； 3－1100m； 4－1700m； 5－2600m
数值模拟软件是研究岩层移动规律的重要手 段，很多学者应用数值模拟软件在开采沉陷领域进 行了研究。杨天鸿等基于岩体渗流耦合及损伤分析 系统，模拟了开采过程中覆岩动态破坏过程及应力 场和渗流场演化的过程，提出了岩层渗透性演化受 到开采引起的应力重新分配及覆岩损伤累积过程中 结构性破 坏 的 分 布 特 征［1］。 唐 春 安 应 用 自 主 开 发 的岩石破坏分析系统 ＲFPA2D，分析了采空区上覆 岩层的移动变形规律，认为 ＲFPA2D 岩层性质、几 何条件、移动变形、破坏形态及支撑结构等方面真 实地模拟开采过程中岩层发生变形、离层、断裂及 地表下沉 的 规 律［2］。 李 新 强 等 分 析 了 采 空 区 上 覆 岩层内部移动变形规律，提出了动态分析开采沉陷 预计模型，揭示了四大控制岩体运动的要素： 即推 进速度、覆岩的移动演变、岩体和矸石的流变压 缩，并据此编 制 了 专 用 的 有 限 元 分 析 软 件［3］。 谢 和平院士利用 FLAC 进行了煤矿开采沉陷预计，并 将预计结果和概率积分法做了对比分析，揭示了使 用 FLAC 可模拟真实开采地质条件，指出时间因素 与计算迭代次数有关，即计算步数与对应的时间长 度成正比，计算步数越大，模型形变越大 。 ［4－5］
Dynamical Simulation of Ｒock Strata and Surface Movement Based on UDEC
LIU Ji-bo，LIAN Xu-gang，DAI Hua-yang，YANG Guo-zhu，LIU Jie
（ Earth Science ＆ Surveying Engineering School，China University of Mining ＆ Technology （ Beijing） ，Beijing 100083，China）
第 19 卷 第 3 期 （ 总第 118 期） 2014 年 6 月
煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY
Vol. 19No. 3 （ Series No. 118） June 2014
基于 UDEC 的岩层与地表移动动态模拟研究
刘吉波，廉旭刚，戴华阳，杨国柱，刘 杰
（ 中国矿业大学 （ 北京） 地球科学与测绘工程学院，北京 100083）
粉砂岩、泥岩
厚度 /m
400 64 120 116 3. 3 46. 7
密度 / （ kg·m3 ）
1800 2538 2612 2570 1400 2530
块体尺寸
a/m b/m
10
10
20
16
15
10
10
7. 25
10
3. 3
10 11. 675
弹性模 量 / GPa
0. 01 7. 90 15. 9 9. 82 1. 90 15. 6
［基金项目］ 博士学科点专项科研基金项目 （ 20110023110014） ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助 （ 2009YD05，2010QD01）
［作者简介］ 刘吉波 （ 1975－） ，男，山东招远人，博士研究生，从事开采沉陷、变形监测等方面的研究与应用。
［引用格式］ 刘吉波，廉旭刚，戴华阳，等 . 基于 UDEC 的岩层与地表移动动态模拟研究 ［J］ . 煤矿开采，2014，19 （ 3） ： 104－107.
Abstract： Mining simulation and iteration calculation in numerical simulation was discussed based on UDEC software. A calculation method of zone mining iterations was put forward which took mining sufficiency and mining speed as variables. By this method，the influence rule of rock properties and mining speed on rock and surface movement and deformation were analyzed，which provided reference for simulation and calculation of rock and surface dynamic movement and deformation. Keywords： UDEC； rock and surface movement； numerical simulation； iteration number； excavation simulation
体计算公式为：
Δn = A Δt
（ 2）
L / H0
式中，Δn 为工作面停采后 Δt 时间内迭代次数； Δt
为工作面停采后延续时间，d。
2. 2 模型验证分析
2. 2. 1 数值模型建立
应用通用离散元数值模拟软件 （ UDEC） ，模
2. 1 动态预计模型建立
型建立尺寸为 4200m×750m。表 2 为模型的物理力
［摘 要］ 以 UDEC 为研究平台，讨论了数值计算时的开挖模拟和迭代运算问题。通过计算实 验，提出并建立了以开采充分性和推进速度为变量的单元开采迭代次数的计算方法，分析了岩层性质 及工作面推进速度等因素对岩层及地表移动变形的影响规律，为岩层及地表动态移动变形的模拟计算 提供了参考。
［关键词］ UDEC； 岩层与地表移动； 数值模拟； 迭代次数； 开挖模拟 ［中图分类号］ TD325 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-6225 （ 2014） 03-0104-04
表 1 不同采深及开采充分度地表下沉 10mm 迭代次数
速度为辅的迭代次数计算公式。
采深 D = 2600m 迭代 D = 500m 迭代 D = 100m 迭代 H /m D /H 次数 D /H 次数 D /H 次数 700 3. 71 630 0. 71 800 0. 14 1350 600 4. 33 630 0. 83 810 0. 17 1300 500 5. 20 570 1. 00 790 0. 20 1300 400 6. 50 550 1. 25 780 0. 25 1230 300 8. 67 520 1. 67 780 0. 33 1200 注： D 为开采尺寸。
104
刘吉波等： 基于 UDEC 的岩层与地表移动动态模拟研究
2014 年第 3 期
次数统计实验。通过表 1 分析可知，当开采尺寸一 元，建立单元开采后数值模拟迭代次数与开采充分
定时，采深对迭代次数具有一定的影响，但与开采 度、推进速度的关系。在推进过程中，开采充分程
充分度相比，其影响较小。
度起主要作用，因此建立以开采充分度为主，推进
大众矿围岩运移的UDEC数值模拟
大众矿围岩运移的UDEC数值模拟安阳大众煤业有限责任公司工作面的现场矿压研究,一般采用的研究方法是测定支柱工作阻力、顶煤在工作面的位移表现、顶煤及顶板的深基点位移,由于受到各方面因素的限制,比如说测试手段的限制,而且测试数据只能反映某一些方面或某几方面的规律,基于这些观测研究,不能对顶板活动有一个全面的了解。
采用相似模拟的研究方法,虽然在某些方面能取得很好的效果,但是,模拟的成本高,特别是三维模拟,每一个模型的实验周期经较长,并且一次只能模拟一种状态。
近些年来,随着数值模拟的发展,采用这种方法来取代一部分的相似模拟,在某些方面,能得到相似模拟所达不到的效果。
为了更全面地从各个方面研究大众煤业*****开采工作面的岩层移动及应力分布规律,采用UDEC对采场围岩进行模拟。
1 UDEC的基本原理UDEC是针对非连续介质模型的二维离散元数值计算程序,UDEC(Universal Distinct Element code)有近三十年的发展历史,在1996年推出了最新的UDEC3.0版本。
它应用于计算机计算主要包括两方面的内容:一是离散的岩块允许大变形,允许沿节理面滑动、转动和脱离冒落;二是在计算的过程中能够自动识别新的接触。
在UDEC中块可以是刚性的或者是变形的,接触是变形的。
二维的UDEC既可以用于解决平面应变问题也可以用于解决平面应力问题;UDEC 既可以解决静态问题也可以解决动态问题。
UDEC是应用基于拉格朗日的显示差分法求解运动方程和动力方程,UDEC的运动方程和动力方程如下。
根据牛顿第二定律,并由中心差分格式得速度方程当考虑体力时,对于二维块体,根据牛顿第二定律,并由中心差分式得速度方程：式中:为块体质心角速度;I为块体的转动惯量;为块体上的转动惯量和;为块体质心的速度;为重力加速度(体力)。
将上式进行积分,可得块体新的状态:式中:θ为块体质心的转动角；为块体的质心坐标。
另外需要说明sss的是在离散元计算中仍然满足动量守衡定律。
如何运用UDEC创建裂隙岩体水力学模型-水力学论文-水利工程论文-水利论文
如何运用UDEC创建裂隙岩体水力学模型-水力学论文-水利工程论文-水利论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——1、引言库岸边坡常因库水位变动而失稳，尤其是岩石里面的节理裂隙，由于水在裂隙中流动，影响岩石的各种特性，控制着岩体的变性破坏特征。
本文简单论述一下如何运用UDEC建立斜坡离散裂隙网络数值模拟计算模型，可以更加正确的反映岩石内部的结构和构造。
从而可以帮助我们揭示一些裂隙岩体边坡在各种水的作用下的下变形机制，为一些岩质边坡的防治提供科学的理论依据。
2、离散单元法的基本原理离散单元法是1970年由Cundall首次提出的，于1986年由王永嘉引入我国，是专门针对不连续介质问题提出的数值模拟解决方法，它对于边坡稳定性的研究是将所研究的边坡岩土体划分为一个个小块，通过每一个小块间的相互作用，以及力与位移的相互作用建立方程。
通过一次次的迭代，配合所建立的平衡方程，使每一个小块都达到平衡状态。
由于离散单元法是通过计算块体之间的作用得到的结果，所以这种方法可以分析实际岩块间大位移的情况，而且可以详细的解析出岩体内部应力与应变的分布情况。
它还有一个重要特点，既其求解平衡方程是利用时间差分法。
因此该方法在实际工程中可以弥补有限元法的缺点，进而求解非均质和不连续体的大位移和大变形的问题。
2.1离散元程序UDECUDEC（Universal Distinct Element Code）是一款由ITASCA公司基于离散单元法原理开发并推广应用的二维的大型商用数值模拟软件。
UDEC对模拟节理化岩体材料介质在准静态及准动态荷载条件下的反应过程特别合适，它不但能够实现接触的模拟，而且可以自动侦测并识别新的接触产生，并模拟其力学行为。
UDEC数值分析程序是为一系列工程问题开发的专业求解工具，例如：它可以应用于地下结构、地震、矿山、核废料处理、能源等问题的研究。
2.2裂隙岩体离散裂隙网络介质模型研究岩石中有很多断层、节理、裂隙，统称为结构面，在岩石水力学中都称之为裂隙。
地震动斜入射下层状岩体隧洞接触响应分析
地震动斜入射下层状岩体隧洞接触响应分析作者：赵勐肖明陈俊涛金汉城来源：《湖南大学学报·自然科学版》2021年第05期摘要：為研究层状岩体对隧洞地震响应的影响，考虑地震动斜入射特性和层状岩体层间非线性接触特性，建立一种层状岩体水工隧洞地震动力响应数值模拟方法. 首先，基于三维黏弹性人工边界条件和波场分解理论，将地震动转化为作用于人工边界上的等效节点力，建立了一种层状岩体中地震动三维空间斜入射输入方法. 其次，针对地震作用下层状岩体层间动力相互作用特点，建立了一种考虑接触面黏结滑移特性的动接触力算法. 将该模拟方法应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站输水隧洞抗震稳定计算，对比分析地震动竖直入射、地震动斜入射、地震动斜入射且考虑动接触3种工况的计算结果，结果表明，地震作用下隧洞结构的应力和位移响应受地震动入射角影响明显;层间剪切、挤压破碎带的存在加剧了隧洞的地震反应，接触面附近破坏区发展较大;考虑接触作用后，衬砌腰部的应力和位移响应相比顶拱较大，首先发生开裂损伤破坏，成为水工隧洞衬砌结构抗震设计的薄弱部位，隧洞结构的损伤区主要分布于软岩穿过部位和层间接触部位.关键词：层状岩体;水工隧洞;地震动斜入射;动接触力法;地震响应;数值模拟中图分类号：TU45 文献标志码：AAbstract：In order to study the influence of layered rock mass on tunnel seismic response，considering the oblique incident angles of seismic motion and the nonlinear contact characteristics at the interface， a numerical simulation method for seismic response of hydraulic tunnel in layered rock mass was proposed. First， based on the 3D viscoelastic artificial boundary conditions and the wave field decomposition theory， the input method of an obliquely incident earthquake in layered rock mass was put forward. It can transform the seismic waves into equivalent nodal forces acting on the nodes of artificial boundaries. In view of dynamic interaction characteristics between interlayers in layered rock mass under seismic action， a dynamic contact force algorithm considering the bond-slip characteristics of the interface was presented. Then， the methods were applied to the anti-seismic stability calculation of the hydraulic tunnel of AZAD PATTAN hydropower station in Pakistan. The calculation is divided into three different working conditions， with vertically incident earthquake，with obliquely incident earthquake but no dynamic contact force， with obliquely incident earthquake and dynamic contact force. The results indicate that the stress and displacement of the tunnel structure under seismic action are greatly affected by the angle of incidence. The existence of interlayer shearing and crushing fracture zone exacerbates the seismic response of the tunnel， resulting in the fact that the failure zone near the interface develops further. After considering the contact effect， the stress and displacement response of the haunch is larger than that of the vault， so that the haunch of lining where the cracking damage first occurs is the weak part of lining structure under the action of earthquakes. The damage zone of the lining mainly distributes in the place where the soft rock passes through and interlayer contacts.Key words：layered rock mass;hydraulic tunnel;obliquely incidence earthquake;dynamic contact force method;seismic response;numerical simulation為缓解巴基斯坦国家电网严重缺电的局面，中国投资并帮助巴基斯坦规划建设了一大批水利水电工程，如卡洛特水电站、SK水电站和正在规划设计的阿扎德帕坦水电站，从而形成了为数众多的地下水工隧洞群. 水工隧洞往往深覆于山体中，大多具有大尺度、大埋深、洞线长等特点，不可避免地要穿越包括强震区和层状岩体区等在内的复杂地质区域，面临突出的抗震安全稳定问题[1]. 在层状岩体中进行地下工程建设，尤其对于软硬互层状岩体而言，当岩层倾角较大，结构面发育明显时，层间剪切、挤压破碎带较为常见，是水工隧洞抗震的薄弱部分. 一旦发生地震，岩体层间极易发生剪切滑移破坏，对隧洞结构造成不可逆的损伤破坏. “5.12”汶川大地震震害调查表明，深埋于地质条件较差部位的隧洞结构极易发生衬砌开裂及错位等损伤破坏[2]. 因此，研究层状岩体中水工隧洞地震响应特性和破坏机理具有重要的现实意义.层状岩体水工隧洞地震响应分析主要包括两方面内容：1）地震动的输入方法;2）层间动力相互作用模拟. 在已有的针对地下隧洞群进行的动力时程分析中，多是假设地震动为从模型底部竖直向上入射. 但是根据近年来强震动观测记录的统计，发现基岩场地的地震波入射角平均为60°，从而引起结构的非一致性变形[3]. 杜修力等[4]研究了地震波斜入射条件下隧洞洞身段的地震响应特征，结果表明地震波斜入射时隧洞地震响应规律与竖直入射时明显不同. 李山有等[5]研究了地震波斜入射条件下竖直、倾斜台阶地形引起的波形转换，分析说明了研究斜入射的必要性. Heymsfield[6]分析了二维条件下斜入射SH波对倾斜基岩自由面位移的放大效应. Stamos等[7]采用一种新的频域内边界元法研究斜入射体波作用下长大隧道的地震响应. Naggar 等[8]研究了地震波斜入射角度对隧道衬砌弯矩和轴力的影响. 从上述文献可看出，目前对地震动斜入射的研究已取得一些成果，但均未考虑地震动在层状岩体中传播时其幅值受岩体阻尼影响而衰减这一情况.层状岩体层间动力相互作用属典型的动接触问题. 在有限元分析中，进行动接触迭代的数值模拟方法很多，主要有Lagrange乘子法[9]、罚函数法[10]、线性补偿法[11]和动接触力法[12]等. 其中，刘晶波等[12]提出的动接触力法以其计算效率高和稳定性好而被广泛运用，但是该方法忽略了接触介质界面的黏聚力. 本文针对地震荷载作用下层状岩体层间循环往复相互作用特点，建立一种考虑界面黏结滑移特性的动接触力算法，可以反映动力作用下层间非线性接触特性.综上所述，本文建立了一种层状岩体水工隧洞地震动力响应数值模拟方法，该方法有效考虑了地震动在层状岩体中的斜入射特性和层状岩体层间非线性接触特性. 将本文分析方法应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站输水隧洞抗震稳定计算，分析软硬互层状岩体对隧洞地震响应的影响，以期对复杂层状岩体中水工隧洞抗震设计进行有益探索.1 层状岩体地震动斜入射方法水工隧洞相比地表、地基和城市地下建筑物的特殊性在于其完全埋置于无限域的山体介质之中. 在对深埋水工隧洞进行动力时程分析时，由于其所在的工程区相对整个地震区域是微小的，远域地震的波动对工程区域影响较小，因此可将工程区外无限域地震区假设为弹性无限介质体，从中截取隧洞所在的有限区域进行有限化模拟. 在时域分析中首先需对计算模型各边界设置人工边界，以模拟外行波的透射、内行波的入射、边界处无限域波动场及弹性位移场，且需考虑地表自由面反射波对工程区的影响.基于三维黏弹性人工边界[13]，可将无限域地震波动场问题转化为求解作用于人工边界节点的等效节点力问题，以实现模型内外波动场的交互. 本文基于波场分解原理，假定计算模型外无限域为均匀弹性介质体，地震波为倾斜入射的弹性平面波，将波动场分解为内行场和外行场，外行场主要由自模型内部向无限域透射的外行波动场构成，可由模型内显式有限元逐步积分计算求得，故地下隧洞地震动斜入射实现的关键是求解无限域的斜向内行场以及相应的地表反射内行场.对于空间任意入射角度的地震波，可分解为质点振动方向与波的传播方向相一致的P波（压缩波）和质点振动方向与波的传播方向相垂直的S波（剪切波）. 下面详细阐述P波三维斜入射下地震荷载的计算方法.1.1 P波三维斜入射平面P波在半空间自由表面经反射后会发生波形转换，产生反射P波和反射SV波（如图1所示），此时侧向边界区内的内行场位移uRli（t）（i=1，2，3）和应力σRli（t）（i=1，2，3）应由入射P波、反射P波和反射SV波各自内行场的位移和应力叠加而成;在底部边界，内行场为P波入射场. 即：假设入射P波在零时刻的位移时程为u0（t），入射波零时刻波阵面与水平面夹角为入射角α，节点 l（x0，y0，z0）为模型人工边界上某一节点，L为模型底部至自由面高度. 需注意本文研究基于入射波波前平行于隧洞轴线，故根据入射P波波前和人工边界节点l的几何空间位置关系，可求得模型各人工边界处内行场位移时程：式中：β1为反射SV波在半空间自由面的反射角，β1 = arcsin（cs sin α/cp），cp和cs分别为P波和SV波的波速;A1和A2分别为反射P波和反射SV波的幅值放大系数，其值参考文献[14]取得;η（·）为考虑岩体阻尼情况下，地震动的幅值沿传播距离的衰减系数，胡进军等[15]研究表明地震动在复杂岩层中传播时可认为其幅值受岩体阻尼的影响而呈线性衰减，张志国等[16]进一步将其表述为：Key words：layered rock mass;hydraulic tunnel;obliquely incidence earthquake;dynamic contact force method;seismic response;numerical simulation为缓解巴基斯坦国家电网严重缺电的局面，中国投资并帮助巴基斯坦规划建设了一大批水利水电工程，如卡洛特水电站、SK水电站和正在规划设计的阿扎德帕坦水电站，从而形成了为数众多的地下水工隧洞群. 水工隧洞往往深覆于山体中，大多具有大尺度、大埋深、洞线长等特点，不可避免地要穿越包括强震区和层状岩体区等在内的复杂地质区域，面临突出的抗震安全稳定问题[1]. 在层状岩体中进行地下工程建设，尤其对于软硬互层状岩体而言，当岩层倾角较大，结构面发育明显时，层间剪切、挤压破碎带较为常见，是水工隧洞抗震的薄弱部分. 一旦发生地震，岩体层间极易发生剪切滑移破坏，对隧洞结构造成不可逆的损伤破坏. “5.12”汶川大地震震害调查表明，深埋于地质条件较差部位的隧洞结构极易发生衬砌开裂及错位等损伤破坏[2]. 因此，研究层状岩体中水工隧洞地震响应特性和破坏机理具有重要的现实意义.层状岩体水工隧洞地震响应分析主要包括两方面内容：1）地震动的输入方法;2）层间动力相互作用模拟. 在已有的针对地下隧洞群进行的动力时程分析中，多是假设地震动为从模型底部竖直向上入射. 但是根据近年来强震动观测记录的统计，发现基岩场地的地震波入射角平均为60°，从而引起结构的非一致性变形[3]. 杜修力等[4]研究了地震波斜入射条件下隧洞洞身段的地震响应特征，结果表明地震波斜入射时隧洞地震响应规律与竖直入射时明显不同. 李山有等[5]研究了地震波斜入射条件下竖直、倾斜台阶地形引起的波形转换，分析说明了研究斜入射的必要性. Heymsfield[6]分析了二维条件下斜入射SH波对倾斜基岩自由面位移的放大效应. Stamos等[7]采用一种新的频域内边界元法研究斜入射体波作用下长大隧道的地震响应. Naggar 等[8]研究了地震波斜入射角度对隧道衬砌弯矩和轴力的影响. 从上述文献可看出，目前对地震动斜入射的研究已取得一些成果，但均未考虑地震动在层状岩体中传播时其幅值受岩体阻尼影响而衰减这一情况.层状岩体层间动力相互作用属典型的动接触问题. 在有限元分析中，进行动接触迭代的数值模拟方法很多，主要有Lagrange乘子法[9]、罚函数法[10]、线性补偿法[11]和动接触力法[12]等. 其中，刘晶波等[12]提出的动接触力法以其计算效率高和稳定性好而被广泛运用，但是该方法忽略了接触介质界面的黏聚力. 本文针对地震荷载作用下层状岩体层间循环往复相互作用特点，建立一种考虑界面黏结滑移特性的动接触力算法，可以反映动力作用下层间非线性接触特性.综上所述，本文建立了一种层状岩体水工隧洞地震动力响应数值模拟方法，该方法有效考虑了地震动在层状岩体中的斜入射特性和层状岩体层间非线性接触特性. 将本文分析方法应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站输水隧洞抗震稳定计算，分析软硬互层状岩体对隧洞地震响应的影响，以期对复杂层状岩体中水工隧洞抗震设计进行有益探索.1 层状岩体地震动斜入射方法水工隧洞相比地表、地基和城市地下建筑物的特殊性在于其完全埋置于无限域的山体介质之中. 在对深埋水工隧洞进行动力时程分析时，由于其所在的工程区相对整个地震区域是微小的，远域地震的波动对工程区域影响较小，因此可将工程区外无限域地震区假设为弹性无限介质体，从中截取隧洞所在的有限区域进行有限化模拟. 在时域分析中首先需对计算模型各边界设置人工边界，以模拟外行波的透射、内行波的入射、边界处无限域波动场及弹性位移场，且需考虑地表自由面反射波对工程区的影响.基于三维黏弹性人工边界[13]，可将无限域地震波动场问题转化为求解作用于人工边界节点的等效节点力问题，以实现模型内外波动场的交互. 本文基于波场分解原理，假定计算模型外无限域为均匀弹性介质体，地震波为倾斜入射的弹性平面波，将波动场分解为内行场和外行场，外行场主要由自模型内部向无限域透射的外行波动场构成，可由模型内显式有限元逐步积分计算求得，故地下隧洞地震动斜入射实现的关键是求解无限域的斜向内行场以及相应的地表反射内行场.对于空间任意入射角度的地震波，可分解為质点振动方向与波的传播方向相一致的P波（压缩波）和质点振动方向与波的传播方向相垂直的S波（剪切波）. 下面详细阐述P波三维斜入射下地震荷载的计算方法.1.1 P波三维斜入射平面P波在半空间自由表面经反射后会发生波形转换，产生反射P波和反射SV波（如图1所示），此时侧向边界区内的内行场位移uRli（t）（i=1，2，3）和应力σRli（t）（i=1，2，3）应由入射P波、反射P波和反射SV波各自内行场的位移和应力叠加而成;在底部边界，内行场为P波入射场. 即：假设入射P波在零时刻的位移时程为u0（t），入射波零时刻波阵面与水平面夹角为入射角α，节点 l（x0，y0，z0）为模型人工边界上某一节点，L为模型底部至自由面高度. 需注意本文研究基于入射波波前平行于隧洞轴线，故根据入射P波波前和人工边界节点l的几何空间位置关系，可求得模型各人工边界处内行场位移时程：式中：β1为反射SV波在半空间自由面的反射角，β1 = arcsin（cs sin α/cp），cp和cs分别为P波和SV波的波速;A1和A2分别为反射P波和反射SV波的幅值放大系数，其值参考文献[14]取得;η（·）为考虑岩体阻尼情况下，地震动的幅值沿传播距离的衰减系数，胡进军等[15]研究表明地震动在复杂岩层中传播时可认为其幅值受岩体阻尼的影响而呈线性衰减，张志国等[16]进一步将其表述为：Key words：layered rock mass;hydraulic tunnel;obliquely incidence earthquake;dynamic contact force method;seismic response;numerical simulation为缓解巴基斯坦国家电网严重缺电的局面，中国投资并帮助巴基斯坦规划建设了一大批水利水电工程，如卡洛特水电站、SK水电站和正在规划设计的阿扎德帕坦水电站，从而形成了为数众多的地下水工隧洞群. 水工隧洞往往深覆于山体中，大多具有大尺度、大埋深、洞线长等特点，不可避免地要穿越包括强震区和层状岩体区等在内的复杂地质区域，面临突出的抗震安全稳定问题[1]. 在层状岩体中进行地下工程建设，尤其对于软硬互层状岩体而言，当岩层倾角较大，结构面发育明显时，层间剪切、挤压破碎带较为常见，是水工隧洞抗震的薄弱部分. 一旦发生地震，岩体层间极易发生剪切滑移破坏，对隧洞结构造成不可逆的损伤破坏. “5.12”汶川大地震震害调查表明，深埋于地质条件较差部位的隧洞结构极易发生衬砌开裂及错位等损伤破坏[2]. 因此，研究层状岩体中水工隧洞地震响应特性和破坏机理具有重要的现实意义.层状岩体水工隧洞地震响应分析主要包括两方面内容：1）地震动的输入方法;2）层间动力相互作用模拟. 在已有的针对地下隧洞群进行的动力时程分析中，多是假设地震动为从模型底部竖直向上入射. 但是根据近年来强震动观测记录的统计，发现基岩场地的地震波入射角平均为60°，从而引起结构的非一致性变形[3]. 杜修力等[4]研究了地震波斜入射条件下隧洞洞身段的地震响应特征，结果表明地震波斜入射时隧洞地震响应规律与竖直入射时明显不同. 李山有等[5]研究了地震波斜入射条件下竖直、倾斜台阶地形引起的波形转换，分析说明了研究斜入射的必要性. Heymsfield[6]分析了二维条件下斜入射SH波对倾斜基岩自由面位移的放大效应. Stamos等[7]采用一种新的频域内边界元法研究斜入射体波作用下长大隧道的地震响应. Naggar 等[8]研究了地震波斜入射角度对隧道衬砌弯矩和轴力的影响. 从上述文献可看出，目前对地震动斜入射的研究已取得一些成果，但均未考虑地震动在层状岩体中传播时其幅值受岩体阻尼影响而衰减这一情况.层状岩体层间动力相互作用属典型的动接触问题. 在有限元分析中，进行动接触迭代的数值模拟方法很多，主要有Lagrange乘子法[9]、罚函数法[10]、线性补偿法[11]和动接触力法[12]等. 其中，刘晶波等[12]提出的动接触力法以其计算效率高和稳定性好而被广泛运用，但是该方法忽略了接触介质界面的黏聚力. 本文针对地震荷载作用下层状岩体层间循环往复相互作用特点，建立一种考虑界面黏结滑移特性的动接触力算法，可以反映动力作用下层间非线性接触特性.综上所述，本文建立了一种层状岩体水工隧洞地震動力响应数值模拟方法，该方法有效考虑了地震动在层状岩体中的斜入射特性和层状岩体层间非线性接触特性. 将本文分析方法应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站输水隧洞抗震稳定计算，分析软硬互层状岩体对隧洞地震响应的影响，以期对复杂层状岩体中水工隧洞抗震设计进行有益探索.1 层状岩体地震动斜入射方法水工隧洞相比地表、地基和城市地下建筑物的特殊性在于其完全埋置于无限域的山体介质之中. 在对深埋水工隧洞进行动力时程分析时，由于其所在的工程区相对整个地震区域是微小的，远域地震的波动对工程区域影响较小，因此可将工程区外无限域地震区假设为弹性无限介质体，从中截取隧洞所在的有限区域进行有限化模拟. 在时域分析中首先需对计算模型各边界设置人工边界，以模拟外行波的透射、内行波的入射、边界处无限域波动场及弹性位移场，且需考虑地表自由面反射波对工程区的影响.基于三维黏弹性人工边界[13]，可将无限域地震波动场问题转化为求解作用于人工边界节点的等效节点力问题，以实现模型内外波动场的交互. 本文基于波场分解原理，假定计算模型外无限域为均匀弹性介质体，地震波为倾斜入射的弹性平面波，将波动场分解为内行场和外行场，外行场主要由自模型内部向无限域透射的外行波动场构成，可由模型内显式有限元逐步积分计算求得，故地下隧洞地震动斜入射实现的关键是求解无限域的斜向内行场以及相应的地表反射内行场.对于空间任意入射角度的地震波，可分解为质点振动方向与波的传播方向相一致的P波（压缩波）和质点振动方向与波的传播方向相垂直的S波（剪切波）. 下面详细阐述P波三维斜入射下地震荷载的计算方法.1.1 P波三维斜入射平面P波在半空间自由表面经反射后会发生波形转换，产生反射P波和反射SV波（如图1所示），此时侧向边界区内的内行场位移uRli（t）（i=1，2，3）和应力σRli（t）（i=1，2，3）应由入射P波、反射P波和反射SV波各自内行场的位移和应力叠加而成;在底部边界，内行场为P波入射场. 即：假设入射P波在零时刻的位移时程为u0（t），入射波零时刻波阵面与水平面夹角为入射角α，节点 l（x0，y0，z0）为模型人工边界上某一节点，L为模型底部至自由面高度. 需注意本文研究基于入射波波前平行于隧洞轴线，故根据入射P波波前和人工边界节点l的几何空间位置关系，可求得模型各人工边界处内行场位移时程：式中：β1为反射SV波在半空间自由面的反射角，β1 = arcsin（cs sin α/cp），cp和cs分别为P波和SV波的波速;A1和A2分别为反射P波和反射SV波的幅值放大系数，其值参考文献[14]取得;η（·）为考虑岩体阻尼情况下，地震动的幅值沿传播距离的衰减系数，胡进军等[15]研究表明地震动在复杂岩层中传播时可认为其幅值受岩体阻尼的影响而呈线性衰减，张志国等[16]进一步将其表述为：Key words：layered rock mass;hydraulic tunnel;obliquely incidence earthquake;dynamic contact force method;seismic response;numerical simulation为缓解巴基斯坦国家电网严重缺电的局面，中国投资并帮助巴基斯坦规划建设了一大批水利水电工程，如卡洛特水电站、SK水电站和正在规划设计的阿扎德帕坦水电站，从而形成了为数众多的地下水工隧洞群. 水工隧洞往往深覆于山体中，大多具有大尺度、大埋深、洞线长等特点，不可避免地要穿越包括强震区和层状岩体区等在内的复杂地质区域，面临突出的抗震安全稳定问题[1]. 在层状岩体中进行地下工程建设，尤其对于软硬互层状岩体而言，当岩层倾角较大，结构面发育明显时，层间剪切、挤压破碎带较为常见，是水工隧洞抗震的薄弱部分. 一旦发生地震，岩体层间极易发生剪切滑移破坏，对隧洞结构造成不可逆的损伤破坏. “5.12”汶川大地震震害调查表明，深埋于地质条件较差部位的隧洞结构极易发生衬砌开裂及错位等损伤破坏[2]. 因此，研究层状岩体中水工隧洞地震响应特性和破坏机理具有重要的现实意义.层状岩体水工隧洞地震响应分析主要包括两方面内容：1）地震动的输入方法;2）层间动力相互作用模拟. 在已有的针对地下隧洞群进行的动力时程分析中，多是假设地震动为从模型底部竖直向上入射. 但是根据近年来强震动观测记录的统计，发现基岩场地的地震波入射角平均为60°，从而引起结构的非一致性变形[3]. 杜修力等[4]研究了地震波斜入射条件下隧洞洞身段的地震响应特征，结果表明地震波斜入射时隧洞地震响应规律与竖直入射时明显不同. 李山有等[5]研究了地震波斜入射条件下竖直、倾斜台阶地形引起的波形转换，分析说明了研究斜入射的必要性. Heymsfield[6]分析了二维条件下斜入射SH波对倾斜基岩自由面位移的放大效应. Stamos等[7]采用一种新的频域内边界元法研究斜入射体波作用下长大隧道的地震响应. Naggar 等[8]研究了地震波斜入射角度对隧道衬砌弯矩和轴力的影响. 从上述文献可看出，目前对地震动斜入射的研究已取得一些成果，但均未考虑地震动在层状岩体中传播时其幅值受岩体阻尼影响而衰减这一情况.层状岩体层间动力相互作用属典型的动接触问题. 在有限元分析中，進行动接触迭代的数值模拟方法很多，主要有Lagrange乘子法[9]、罚函数法[10]、线性补偿法[11]和动接触力法[12]等. 其中，刘晶波等[12]提出的动接触力法以其计算效率高和稳定性好而被广泛运用，但是该方法忽略了接触介质界面的黏聚力. 本文针对地震荷载作用下层状岩体层间循环往复相互作用特点，建立一种考虑界面黏结滑移特性的动接触力算法，可以反映动力作用下层间非线性接触特性.综上所述，本文建立了一种层状岩体水工隧洞地震动力响应数值模拟方法，该方法有效考虑了地震动在层状岩体中的斜入射特性和层状岩体层间非线性接触特性. 将本文分析方法应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站输水隧洞抗震稳定计算，分析软硬互层状岩体对隧洞地震响应的影响，以期对复杂层状岩体中水工隧洞抗震设计进行有益探索.1 层状岩体地震动斜入射方法水工隧洞相比地表、地基和城市地下建筑物的特殊性在于其完全埋置于无限域的山体介质之中. 在对深埋水工隧洞进行动力时程分析时，由于其所在的工程区相对整个地震区域是微小的，远域地震的波动对工程区域影响较小，因此可将工程区外无限域地震区假设为弹性无限介质体，从中截取隧洞所在的有限区域进行有限化模拟. 在时域分析中首先需对计算模型各边界设置人工边界，以模拟外行波的透射、内行波的入射、边界处无限域波动场及弹性位移场，且需考虑地表自由面反射波对工程区的影响.基于三维黏弹性人工边界[13]，可将无限域地震波动场问题转化为求解作用于人工边界节点的等效节点力问题，以实现模型内外波动场的交互. 本文基于波场分解原理，假定计算模型外无限域为均匀弹性介质体，地震波为倾斜入射的弹性平面波，将波动场分解为内行场和外行场，外行场主要由自模型内部向无限域透射的外行波动场构成，可由模型内显式有限元逐步积分计算求得，故地下隧洞地震动斜入射实现的关键是求解无限域的斜向内行场以及相应的地表反射内行场.。
基于岩石物理实验的时移地震研究
ｅ ｘ ｐ ｌ ｏ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｔｈ ｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ，ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｒ ｏ ｃ ｋ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｓ ｅ ｉ ｓ ｍｉ ｃ ｆ ｏ ｒ ｗａ ｒ ｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｚ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ
ｐｇ ２０１ ３ ０４１ ４ ．
Ｚ Ｈ ＯＵ Ｓｈ ｕ ｉ — ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ，ＬＩ Ｕ Ｈｏ ｎ ｇ，Ｗ ＡＮＧ Ｃｈ ｏ ｎ ｇ ．Ａ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ ｔ ｉ ｍｅ － ｌ ａ ｐ ｓ ｅ ｓ ｅ ｉ ｓ ｍｉ ｃ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｒ ｏ ｃ ｋ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ． Ｐｒ ｏ ｇｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ
Ｚ Ｈ ＯＵ Ｓ ｈ ｕ ｉ — ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ， ＬＩ Ｕ Ｈｏ ｎ ｇຫໍສະໝຸດ ， Ｗ ＡＮＧ Ｃｈ ｏ ｎ ｇ
（ １ ．Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｇｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｇ ｅ ｏ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ， Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ２ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
第 ２ ８ 卷 第 ４ 期 ２ ０ １ ３年 ８月 （ 页码 ： １ ７ ３ ９ — １ ７ ４ ８ ）
地
球
物
理
学
进
展
Ｖｏ １ ． ２ ８，Ｎｏ ． ４
Ａｕ ｇ ．，２ ０ １ ３
Ｐ ＲＯＧＲＥＳ Ｓ Ｉ Ｎ ＧＥＯＰ Ｈ ＹＳ Ｉ ＣＳ
巨厚岩浆岩下开采地表移动变形的相似模拟研究
２ 地表 移动变形规律 的相似模拟
综 放工作 面顶煤、 顶板岩层及上覆岩层运移过
维普资讯
朱建建 ， 巨厚岩浆岩 下开采 地表移动 变形 的相似模 拟研 究 等：
２ ９
形 的特点。相似模拟实验 的结果表 明， 岩浆岩断 裂 之前 ， 地表移动变形现象不显著； 当推进度 到 ９ ５ｍ ０
程具 有 复杂性 和不 可 预 见 性 ， 给 采 空 区 上 覆岩 层 这 运动 和地 表移 动规 律 的研 究 增 加 了难 度 ， 实 验 室 而
相似材料模拟实验可以直观有效地呈现煤层采出后 上覆岩层变形 、 移动 、 垮落 的全过程 ， 是认识和揭示 综放采场岩层和地表活动规律的研究方法之一。
～
相似模拟实验地 表监测点布置见图 ２ 地表 １ ，
＾ 涣罩 Ｅｕ
ｌ 测点位移曲线分别见图 ３ 图 ４ ３ 、 。
Ｏ
时， 岩浆岩发生初次断裂 ； 当推进度到 １５ １０ｍ时 ， 地 表发生较大沉降 ， 滞后于初次断裂时 间。这是 由于 岩浆岩初次断裂并非全厚层破断， 而是下位岩浆岩
推进 度（１ ｒ） ｒ
｛ ８窝蛊 ｇ 量 量 ；至
图 ３ 地表 １ 一７ 测点位移 曲线
０３ ４ ．１ ０３ ２ ．１ ０ ３１ ． ０ ０３ ８ ．０
维普资讯
Ｉ Ｓ ６ ｌ一２ ０ Ｓ Ｎ ｌ７ ９０ Ｃ ３—１ ４ ／ Ｄ Ｎ４ ３７Ｔ
采矿技 术
第 ７卷
第 ２期
２０ ０７年 ６ 月
Ｊｎ２ Ｏ ｕ ．０ ７
Ｍｉ ｉ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ，Ｖｏ． Ｎｏ ２ １ ７， ．
ｎ ０ ０ ｎ ｔ Ｏ ０ （ 】 ｎ 一
煤岩体中应力波传播特性的数值模拟
大， 近年来先后在北京 ， 枣庄 、 抚顺 、 阜新 、 辽源、 大同、 开 滦、 新汶、 徐州 、 义马 、 鹤岗、 鸡西淮 南 、 兖 州等近 １ ０ ０ 个
矿 区发生过 冲击地压 同 。 通过查 阅相关研究 资料 可知 ，我 国 自上世 纪 ７ ０年
２ 数值计算模 型
数值计算模型 以某矿工作面实 际地质情 况为依据 。 模 型尺寸 为 ： １ ５ ０ ｍ×６ ０ １ ３ １ × ８ ０ ｍ，其 中巷 道截 面 尺寸
和幅值 对震动波 传播特 性 的研究 则 已以该 节实 际输入
的波形为准 。 ２ ． １ 数值计算模拟方案
击矿压 与微 震发生 的关 系来看 ，大部分 冲击矿 压发生 在１ Ｘ ｌ Ｏ ＇ Ｊ以上 。而对于微震震动波 的传播特性我 国的
相关专 家 、 学者 已经开展 了一部 分研究 ， 取得 了一定 的
第３ ３ 卷 第１ ０ 期 ２ ０ １ ３ 年１ Ｏ ４
山西煤炭 Ｓ ＨＡＮ Ｘｌ ＭＥ Ｉ ＴＡＮ
ＶＯ Ｉ ． ３３ ＮＯ．１ Ｏ Ｏｃｔ ．２０１３
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ０ ５ ０ （ ２ ０ １ ３ ） １ ０ — ０ ０ ３ ７ — ０ ３
煤岩体中应力波传播特 ｌ 生 的数值模拟
作 者简介 ： 赵宏伟 （ １ ９ ５ ９ 一 ） ， 男， 山西 长子人 ， 大学本科 ， 工程师 ， 从事煤矿生产管理工作。
３７
山西 煤 炭 ＳＨＡＮ ＸＩ ＭＥＩ Ｔ ＡＮ
第３ 其中所加 的波形 为正弦波 ， 其公 式为 ： 删＝ ｎ Ｘ ９ ． ３ ６ ｅ 一 ２ Ｘ ｓ ｉ ｎ （ ４ １ Ｔ Ｘ ｄ ｙ ｔ ｉ ｍ ｅ ） 式中 ： ｎ 为震动波幅值倍数 ； ＋ｔ ｉ ｍ ｅ 为动载时 间， ｓ 。频率
UDEC模拟实例与解析
^`UDEC 实例翻译与命令解析翻译：珠穆朗玛1 地震诱发地层坍塌 Seismic-Induced Groundfall1.1 问题描述本例展示使用 UDEC 模拟分析地震诱发地层坍塌的一类的问题,模型见图 1.1,该模型基 于加拿大安大略省萨德伯里市鹰桥公司弗雷则矿 34-1-554 切割断面的一个剖面图的结构和 尺寸. 用二维平面应变模型代表垂直于超采轴向方向的平面效应,超采面高 5m,宽 10m.假定两个连续节理交叉平面分析:一个角度为 45 度,另一个为-9 度,两者节理间距均为 5m,为了演示的目的,一个近似垂直的“虚拟节理”也被添加到块体内开挖面顶部以增强不稳 定性。
围岩参数来自试验室平均测试数值，假定岩石块体参数如下：假定块体仅具有弹性行为，节理假定符合库伦滑动准则，选择典型的教课书数值作为节 理参数，如下：初始应力状态按各向同性估计为24Mpa（假定垂直荷载由覆盖深度大约800m 的岩层产生）。
1.2 UDEC 分析UDEC 模拟顺序分三个阶段,首先,模型在初始应力状态下进行无超采固结.其次,进行开挖并且模型循环至平衡状态.本阶段超采面周围的应力分布见图1.2.超采正上方和下方的块体滑动后稳定.在第三阶段.估计了两个不同的峰值速度的地震事件.对所有地震模拟,在问题域的外周边界引入粘滞边界用以消除波的反射.从而模拟有限的岩体,地震事件用施加到模型顶部y 方向的正弦应力波表现.应力波被叠加到已存在的初始地应力上.在第一个模拟中,施加1.25Mpa 的峰值应力,应当注意的是,由于粘滞边界条件实际是在模型顶部, 施加的有效影响应力应该是1.25 MPa/2, or 0.625 MPa.0.02 秒后的开挖面拱顶的应力分布见图1.3,两点的位移被监测,1 点位于开挖面的左角,点2 位于拱顶块体的右角, 图1.4 的位移时间曲线显示两点本质上是弹性反应.本例关心的问题是在模型顶部施加的速度和计算速度的对比,下面的公式可以用以估计施加的波速.使用这个方程,施加的最大波速大概是0.04m/sec,图1.5 显示的峰值波速小于0.06m/sec. 估计的波速和监测波速的不同在于使用的围岩模量.而是没有考虑节理变形的相等变形模量.在第二个案例中,施加应力波峰值12.5 Mpa(有效应力6.25Mpa).0.02 秒后的开挖拱顶应力分布见图1.6.该图显示出拱顶岩体不受力,表面该块体已经松散并正在下落.对于关心的问题,后来三个时间的几何体和应力分布见图1.8 至图1.10.在问题的顶部预测的波速(从上面的方程)是0.4m/sec.从模型中计算的波速见图1.11,再次,由于使用的是原岩弹性模量而不是岩体的变形模量导致预测和监测的波速之间的差异.1.3 节包含了该模型的数据列表,该列表包含了一个FISH 函数(show)被用来创建坍塌的动画文件,每隔0.02 秒俘获一个显示的图片.通过改变FISH 参数time_int 可以改变动画帧的间隔.视图的总数也可以通过改变snap_shot 的数值进行改变.为了显示80 帧的显示图片而创建的该电影文件需要大概13MB 的硬盘空间.1.3 数据文件列表Example 1.1 SEISMIC.DATtitleSEISMIC INDUCED ROOF COLLAPSE 地震诱发拱顶坍塌;round 0.01; define original boundary of modeled region 定义模型区域的原始边界block -25,-20 -25,20 25,20 25,-20; generate joint pattern over entire original region 在整个原始区域生成节理形态jregion id 1 -25,-25 -25,25 25,25 25,-25jset 45,0 200,0 0,0 5.0,0 (0,0) range jreg 1jset -9,0 200,0 0,0 5.0,0 (0,0) range jreg 1; put in joints needed for the later excavation 为了后面开挖而设置的节理crack -5.01,-2.51 5.01,-2.51crack -5.01, 2.51 5.01, 2.51crack -5,-2.5 -5,2.5crack 5,-2.5 5,2.5crack 2.25,2.5 1.93,5.0; generate fdef zones and assign joint properties (mat=1 & jmat=1;default) 生成单元和设置节理参数generate edge 9.0 range -30,30 -30,30prop mat=1 d=0.00300 k=39060 g=31780prop jmat=1 jkn=20000 jks=20000prop jmat=1 jf=30.0; apply boundary conditions and initial conditions to 在地应力下施加边界条件和初始条件; consolidate model under field stressesbound stress=-24.0, 0.0, -24.0 ygrad=-0.3 0 -0.3insitu stress=-24.0, 0.0, -24.0 ygrad=-0.3 0 -0.3bound yvel 0.0 range -26,26 -21,-19grav 0.0 -10.0; track the x-displacement, and y-displacement over time 追踪位移hist solvehist xdis=0,7 ydis=0,7 type 1solve rat 1e-5; save consolidated statesave seismic1.sav; make excavationdelete range -5,5 -2.5,2.5solve rat 1e-5; save excavated statesave seismic2.sav;rest seismic2.sav; apply seismic load from top (peak velocity=0.04 m/sec);; set up nonreflecting boundarybound mat=1bound xvisc range -26 -23 -21 21bound xvisc range 23 26 -21 21bound xvisc yvisc range -26 26 -21 -19bound xvisc yvisc range -26 26 19 21; apply sinusoidal stress wavebound stress 0 0 -1.25 yhist=cos(100.0,0.0195) range -26 26 19 21 ;reset time hist disp rothist ydis (-4.48,2.57)hist ydis (0,2.57) yvel (0,2.57) yvel (4,2.57) yvel(-4.48,2.57)hist yvel (0,20) yvel (25,10) yvel (25,-10) yvel (0,-20)hist yvel (-25,-10) yvel (-25,10)hist sxx (25,10) sxx (25,-10) sxx (-25,-10) sxx (-25,10)hist syy (0,20);damp 0.1 1.0 mass; 0.02 sec.cyc time 0.02save seismic3.sav;rest seismic2.sav; apply seismic load from top (peak velocity=0.4 m/sec); set up nonreflecting boundarybound mat=1bound xvisc range -26 -23 -21 21bound xvisc range 23 26 -21 21bound xvisc yvisc range -26 26 -21 -19bound xvisc yvisc range -26 26 19 21; apply sinusoidal stress wavebound stress 0 0 -12.5 yhist=cos(100.0,0.0195) range -26 26 19 21 reset time hist disphist ydis (-4.48,2.57)hist ydis (0,2.57) yvel (0,2.57) yvel (4,2.57) yvel(-4.48,2.57)hist yvel (0,20) yvel (25,10) yvel (25,-10) yvel (0,-20)hist yvel (-25,-10) yvel (-25,10)hist sxx (25,10) sxx (25,-10) sxx (-25,-10) sxx (-25,10)hist syy (0,20);damp 0.1 1.0 masssave seismov.sav;; 0.02 sec.cyc time 0.02save seismic4.sav; 0.25 sec.cyc time 0.23save seismic5.sav; 0.50 sec.cyc time 0.25save seismic6.sav; 0.75 seccyc time 0.25save seismic7.sav;rest seismov.sav; make a movie of the groundfall;wind -12 12 -12 12set ovtol 0.05plot block vel max 2.0 blue stress max 50movie onmovie file = seismic.dcxmovie step 1000step 400003 隧道支护荷载Tunnel Support Loading3.1 问题陈述本例模拟展示了UDEC 在检查衬砌隧道方面的应用,着重强调了荷载在混凝土衬砌中的发展,本例也解释了模拟连续建造操作中独立阶段的模拟程序.隧道系统的理想几何体见图3.1.系统包含在海床下大约70m(中线)深度,中线间距12m 的两个隧道, 初始水位在隧道中线上方110m 处.服务隧道直径5.24m,衬砌厚度37cm.主隧道直径8.22m,衬砌厚度46cm.服务隧道先于主隧道开挖和衬砌.随后设置主隧道衬砌,水位上升增加到100m.施工顺序是:(1)开挖服务隧道excavation of the service tunnel;(2)衬砌服务隧道lining of the service tunnel; (3)开挖主隧道excavation of the main tunnel; (4)衬砌主隧道lining of the main tunnel; and (5)升高水位raising of the water level.分析的目的是评价每个施工阶段服务隧道和主隧道支护状况.本例的材料参数见下:岩体——开挖隧道的围岩参数为：弹性模量elastic modulus 0.89 GPa泊松比Poisson’s ratio 0.35单轴抗压强度uniaxial compressive strength 3.5 MPa粘聚力cohesion 1 MPa密度density 1340 kg/m3混凝土衬砌——弹性模量为24 GPa ，泊松比为0.19. 假定衬砌为线弹性材料。
爆炸波作用下岩石隧道动力响应的离散单元法模拟研究
爆炸波作用下岩石隧道动力响应的离散单元法模拟研究本论文针对爆炸波在节理岩体中的传播规律和爆炸波作用下岩石隧道的动力响应问题,采用能考虑节理岩体的离散单元法开展了较深入的研究工作。
首先,采用UDEC模拟了节理岩体中波的传播。
通过模拟计算结果、理论解和实验数据之间的对比,验证了UDEC模拟节理岩体中波传播的可行性,包括波垂直穿越单条节理、波垂直穿越一组节理、波倾斜穿越单条节理和波倾斜穿越多组节理。
另外,通过参数模拟分析得出了节理法向刚度、切向刚度、无量纲节理间距、不同节理组间距比值、节理交叉角、节理组数等节理力学和几何参数和波的入射角对节理岩体中波的传播均有影响。
但是,对于入射P波来说,节理法向刚度、无量纲节理间距、节理交叉角对波传播的影响比其他参数要大很多。
同时,详细地分析了造成这种现象的力学原因,并探讨了该模拟研究的工程意义。
其次,应用UDEC-AUTODYN组合方法模拟了在瑞士的Alvdalen进行的一个10吨TNT的大型地下洞室的非耦合爆炸实验。
其中,AUTODYN模拟爆炸波的产生以及波与洞室洞壁的相互作用；UDEC模拟爆炸波在爆炸洞室围岩中的传播。
由该UDEC-AUTODYN组合方法得到的洞室围岩中的不同位置的峰值质点速度与单一AUTODYN模拟结果、经验公式预测值、实验数据进行了比较。
对比结果显示经验公式小于实验数据,单一AUTODYN模拟结果大于实验数据,而UDEC-AUTODYN组合方法模拟结果与实验数据较吻合。
因此,UDEC-AUTODYN组合方法适合于模拟地下洞室的大型爆炸以及爆炸波在洞室围岩中的传播。
第三,在前两者研究成果的基础上,采用UDEC-AUTODYN组合方法模拟研究了爆炸波作用下岩石隧道围岩的破坏特征。
通过隧道围岩的扰动区(包括破坏区、裂开区和剪切区)和隧道洞壁峰值质点速度等指标来分析隧道围岩的破坏,其中,探讨了围岩中节理倾角、节理间距、节理刚度、初始地应力、爆炸波的振幅和锚杆支护对隧道围岩破坏的影响。
基于UDEC岩体爆炸应力波衰减规律的研究
第 １ 期
爆
破
Ｖｏ １ ． ３１ Ｎｏ． １
Ｍａ ｒ ． ２ ０１ ４
２ ０ １ ４年 ３月
ＢＬＡＳＴＩ ＮＧ
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １— ４ ８ ７ Ｘ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． ０ ０ ９
基于 Ｕ Ｄ Ｅ Ｃ 岩 体 爆 炸 应 力 波 衰 减 规 律 的 研 究
曹 攀 ， 颜 事 ， 倪 磊 ， 刘 锋 ， 李 永 军
（ １ ． 安徽 理工大学 化学工程学 院， 淮南 ２ ３ ２ ０ ０ １ ； ２ ． 重 庆顺 安爆 破器材有限公 司， 重庆 ４ ０ ４ １ ０ ０ ； ３ ． 特种作 战学 院 ， 广州 ５ １ ０ ０ ０ ０ ） 摘 要： 通过 Ｇ Ｅ Ｎ Ｅ Ｒ Ａ Ｔ Ｅ命 令划分有限差分 网格 ， Ｂ Ｏ Ｕ Ｎ Ｄ Ａ Ｒ Ｙ ｘ ｖ ｉ ｓ ｅ和 Ｂ Ｏ Ｕ Ｎ Ｄ Ａ Ｒ Ｙ ｙ ｖ ｉ ｓ ｃ 命 令产生静 态边
术
界， Ｄ Ａ Ｍ Ｐ命令确定 Ｒ ａ ｙ ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ阻尼参数 中的最 小中心频率和 最小临界 阻尼比 ， 选 用高斯脉 冲函数作 为动力激
励 作 用 于 炮 孔 壁 粉 碎 区边 界 ， 输 入 爆 炸 动 力荷 载 ， 建 立岩体爆破 Ｕ Ｄ Ｅ Ｃ数 值 计 算 模 型 ， 运 用 离散 元 件 Ｕ Ｄ Ｅ Ｃ
中图分类号 ： Ｔ Ｕ ４ ５ ２
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ １ — ４ ８ ７ Ｘ（ ２ ０ １ ４ ） ０ １— ０ ０ ４ ２— ０ ５
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ Ａｔ ｔ ｅ ｎ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｌａ ｗ ｏ ｆ Ｅｘ ｐ ｌ ｏ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ Ｗ ａ ｖ ｅ ｉ ｎ Ｒｏ ｃ ｋ
XXX煤矿地表岩移观测成果
芦家窑煤矿二盘区8407工作面地表岩移观测成果报告山西朔州平鲁区芦家窑煤矿有限公司地质测量科2018年5月芦家窑煤矿二盘区8407工作面地表岩移观测成果报告编制单位：科长：测量组长：测量成员：技术副总：总工程师：目录一、项目概况及目的 (13)二、测区自然地理概况 (3)三、工作面基本情况 (3)四、水文地质情况 (6)五、岩移站的设计 (8)六、岩移站观测 (9)七、观测数据分析 (13)八、结论 ................................................................ 错误!未定义书签。
九、存在问题及意见建议 (16)一、项目概况及目的地表及岩层移动参数在矿井设计、矿产资源合理开采及环境综合治理方面起着十分重要的作用，芦家窑煤矿在矿井开采及设计过程中，一直参照《采矿工程设计》中较近的阳泉矿区的岩移参数，作为井田内煤柱留设、三下开采及环境保护的设计计算依据，为了弥补不足，为本矿井测设并提交较为精确的、更适合本矿区的地表及岩层移动参数，由地质测量科承担了在本井田二盘区8407工作面的地表岩移观测任务。
通过在8407工作面上方地表布设岩移观测站，采集工作面开采前、开采过程中及开采结束后等不同时期的观测数据，综合比对分析，旨在达到以下目的：1.为矿区开采提供较准确的地表移动预测方法和相关岩移参数，指导矿区开采设计；2.为矿区合理留设各类保护煤柱提供依据，减少不必要的压煤损失、合理开发矿产资源和相邻村庄之间的民事纠纷；3.为采区工作面的合理布置，保证正常生产接续提供基础数据；4.为丰富矿区开采沉陷的岩体移动理论，弥补坚硬覆岩条件下开采矿产造成的地表移动规律研究提供有利参考。
二、测区自然地理概况1、地形地貌本井田位于管涔山脉东麓，地表大部被黄土覆盖，经长期冲刷切割，呈现为低山丘陵地貌。
纵观井田，沟谷纵横，梁峁绵延，地形比较复杂。
井田总的地势为东北高西南低。