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注取油循环荷载作用下地下水封油库运营性能评价

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工程力学 2013年第12期30卷 167-175,212页

作者：王者超李术才薛翊国张庆松赵建纲姜彦彦山东大学岩土与结构工程中心山东济南250061

以我国首个大型地下水封油库工程为背景,采用理论分析和数值模拟等方法评价了注取油循环荷载作用下该油库运营期的稳定性与水封性。针对岩石疲劳力学特性,在常规运动硬化疲劳力学模型基础上,提出可考虑平均主应力影响的岩石疲劳力学模型... 详细信息

以我国首个大型地下水封油库工程为背景,采用理论分析和数值模拟等方法评价了注取油循环荷载作用下该油库运营期的稳定性与水封性。针对岩石疲劳力学特性,在常规运动硬化疲劳力学模型基础上,提出可考虑平均主应力影响的岩石疲劳力学模型;编写用户子程序,将所提模型嵌入有限元分析软件,实现了循环荷载作用下地下水封油库运营性能评价。评价过程中选取了同步注取和异步注取两种工况,从围岩稳定性和水封性两方面对洞库运营性能进行了分析评价。分析结果显示:同步注取石油对库区围岩拱顶沉降影响较大,异步注取石油对库区围岩水平收敛影响较大;异步注取条件下水位下降和涌水量均比同步注取条件大,但差异不大。两种工况下洞库运营期间总体稳定性和水封性均能保持良好。

关键词：地下水封油库循环荷载花岗岩岩石疲劳模型稳定性水封性有限单元法

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新型节理岩体损伤流变模型数值模拟研究

岩土工程学报 2010年第7期32卷 1011-1016页

作者：朱维申郑文华王文涛山东大学土建与水利学院岩土与结构工程中心山东济南250061

越来越多的地下大型水电站洞室群处在大埋深、高地应力、高孔压的地质环境中,流变现象较为明显。同时,由于岩体中节理裂隙的存在,对围岩产生弱化效应,使得洞室的稳定性分析更为复杂。针对这些特点,综合考虑损伤和流变的影响,推导出基于... 详细信息

越来越多的地下大型水电站洞室群处在大埋深、高地应力、高孔压的地质环境中,流变现象较为明显。同时,由于岩体中节理裂隙的存在,对围岩产生弱化效应,使得洞室的稳定性分析更为复杂。针对这些特点,综合考虑损伤和流变的影响,推导出基于西原体模型的黏弹塑性损伤本构模型。此外,利用三维快速拉格朗日FLAC3D软件的二次开发功能,以VC++作为开发平台,将包含差分形式的本构方程程序化,生成动态链接库文件(DLL文件),通过FLAC3D主程序进行调用。从而,开发出了新型节理岩体的FLAC3D损伤流变本构模型。将此模型应用于双江口洞室群工程实例,完成了洞室稳定性分析计算和指导施工设计。结果表明:将该损伤流变模型用于模拟大型地下洞室群的开挖、分析其稳定性,具有较强的可行性,可用于指导实际的工程施工。

关键词：损伤流变模型节理岩体地下洞室群数值模拟

高地应力地区围岩劈裂破坏现场监测和能量耗散模型及应用

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工程科学与技术 2018年第2期50卷 50-59页

作者：王知深李勇朱维申薛翊国虞松王旌董振兴山东大学岩土与结构工程中心山东济南250061 山东大学土建与水利学院山东济南250061

在进行埋深较大的地下洞室施工时,由于岩体的脆性特征,在高地应力作用下洞室围岩容易出现劈裂破坏。因此,在深部岩体开挖过程中,对围岩劈裂破坏区域的预测格外重要。本文从能量耗散原理出发,结合横观各向同性模型,采用劈裂破坏准则对模... 详细信息

在进行埋深较大的地下洞室施工时,由于岩体的脆性特征,在高地应力作用下洞室围岩容易出现劈裂破坏。因此,在深部岩体开挖过程中,对围岩劈裂破坏区域的预测格外重要。本文从能量耗散原理出发,结合横观各向同性模型,采用劈裂破坏准则对模型单元应力状态进行判断,得到新的自定义横观各向同性计算模型,在此基础上对大岗山水电站大型地下洞室群开挖过程中的稳定性进行计算。在大岗山水电站大型地下洞室群开挖工程现场开展洞周围岩劈裂破坏区的监测,测得主厂房在进行各个开挖步开挖时主厂房与主变室之间岩桥中围岩的位移及劈裂破坏的情况。将现场监测结果与不同本构模型的稳定性分析计算结果进行对比,结果表明:大岗山水电站地下洞室群在进行开挖时,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算所得的主厂房下游边墙劈裂区平均深度与现场监测结果最为接近。考虑能量耗散的横观各向同性模型可较好地反映主厂房与主变室之间岩桥内部围岩位移变化趋势,与现场监测情况吻合度较高;使用摩尔库伦模型及横观各向同性模型计算得到的曲线与监测值有较大区别。根据稳定性分析结果,主厂房下游边墙吊车梁位置关键点和主厂房洞中关键点开挖后洞壁出现的位移较大,其最大水平位移为29.46 mm;主厂房拱顶在开挖初期位移较大,拱顶竖直位移最大值为10.58 mm;主变室拱顶竖直位移为10.06 mm。对比其他现有的有限差分模型,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算结果与实际监测值最接近,可以反映不同开挖步时围岩内部关键点位移的变化趋势。因此,在高地应力地区地下洞室开挖时,可使用该模型对洞周围岩的劈裂区进行预测与分析,并参考计算结果对关键区域加强监测与管理,从而减小围岩劈裂破坏对洞室稳定性的影响。

关键词：高地应力地下厂房能量耗散横观各向同性现场监测劈裂破坏稳定性分析

高应力下颗粒材料一维力学特性研究(Ⅰ):压缩性质

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岩土力学 2010年第10期31卷 3051-3057页

作者：王者超李术才山东大学岩土与结构工程中心济南250061 卡尔加里大学土木工程系

高水平应力作用下,砂土等颗粒材料中的颗粒将发生破碎。一方面,颗粒破碎导致材料的颗粒分布曲线发生变化:材料中的粗颗粒含量减少,细颗粒含量增加;另一方面,颗粒的破碎引起了能量的转化。由能量守恒定律,作用过程中外力所做的功一部分... 详细信息

高水平应力作用下,砂土等颗粒材料中的颗粒将发生破碎。一方面,颗粒破碎导致材料的颗粒分布曲线发生变化:材料中的粗颗粒含量减少,细颗粒含量增加;另一方面,颗粒的破碎引起了能量的转化。由能量守恒定律,作用过程中外力所做的功一部分由粒间摩擦力转化成热能,而另一部分则消耗到颗粒破碎过程中。利用表面物理学理论,颗粒破碎能可以表达为颗粒表面张力在颗粒破碎中所作的功。由此得到了一维压缩条件下颗粒破碎量与宏观压缩量之间的关系表达式。为了验证得到的关系式,开展了砂土的一维压缩试验,并进行了试验数据的整理分析。研究结果表明,所得关系表达式能较好地反映高水平应力作用下颗粒破碎对颗粒材料压缩性的影响。

关键词：砂土一维压缩颗粒破碎分形表面张力

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大变形软岩巷道2次耦合支护参数优化

中南大学学报（自然科学版） 2016年第4期47卷 1262-1271页

作者：张红军李术才李海燕白继文李红伟山东大学岩土与结构工程中心山东济南250061 山东济南力稳岩土有限责任公司山东济南250104

山东省菏泽市彭庄煤矿西翼-500 m水平行人大巷属于典型中深部软岩巷道,由于支护对策不合理导致围岩变形破坏剧烈。为了得到围岩的变形规律及破坏机制,进行矿压监测、松动圈探测、围岩物理力学参数测试、地应力测试等研究,并提出2次耦合... 详细信息

山东省菏泽市彭庄煤矿西翼-500 m水平行人大巷属于典型中深部软岩巷道,由于支护对策不合理导致围岩变形破坏剧烈。为了得到围岩的变形规律及破坏机制,进行矿压监测、松动圈探测、围岩物理力学参数测试、地应力测试等研究,并提出2次耦合支护方案。为进一步研究2次耦合支护力学机制,对初次支护和2次支护后围岩塑性区与应力分布特点以及初次支护后10~60 d内进行2次支护围岩变形规律进行数值模拟分析。研究结果表明：2次耦合支护能有效控制围岩塑性区的发展,改善应力分布状态,最佳2次支护时间为巷道初次支护后的30~40d。2次耦合支护能有效控制围岩稳定,减小围岩变形,能为类似软岩巷道支护工程提供一定的参考。

关键词：软岩巷道 2次耦合支护数值计算最佳2次支护时间参数优化

高应力下颗粒材料一维力学特性研究(Ⅱ):蠕变性质

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岩土力学 2010年第11期31卷 3392-3396页

作者：王者超李术才山东大学岩土与结构工程中心济南250061 卡尔加里大学土木工程系

现场和试验观测表明,高应力下砂土的蠕变过程伴随着颗粒破碎现象。通过开展砂土的一维蠕变试验发现,试样的颗粒破碎量随时间增加而增加,且蠕变速率与颗粒破碎速率成正比。在此基础上,分析了蠕变过程中能量转化关系,利用表面物理学和分... 详细信息

现场和试验观测表明,高应力下砂土的蠕变过程伴随着颗粒破碎现象。通过开展砂土的一维蠕变试验发现,试样的颗粒破碎量随时间增加而增加,且蠕变速率与颗粒破碎速率成正比。在此基础上,分析了蠕变过程中能量转化关系,利用表面物理学和分形几何学理论,得到了一维蠕变条件下颗粒破碎速率与宏观蠕变速率之间的关系表达式。研究结果表明,高应力一维蠕变条件下颗粒材料的宏观蠕变速率与颗粒破碎速率成正比。最后,对该研究采用的等效化方法进行了讨论。

关键词：砂土一维蠕变颗粒破碎分形表面张力

多同性源阵列电阻率法隧道超前探测方法与物理模拟试验研究

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地球物理学报 2015年第4期58卷 1434-1446页

作者：李术才聂利超刘斌田明禛王传武宋杰刘征宇王世睿山东大学岩土与结构工程研究中心济南250061

直流电阻率法以其对含水构造响应敏感且适应性强的特点,是隧道施工期超前地质预报的常用方法.针对目前定点源三极观测方式易受到测线附近旁侧异常干扰与聚焦观测方式探测距离过短无法三维成像的问题,提出了一种基于多同性源阵列电阻率... 详细信息

直流电阻率法以其对含水构造响应敏感且适应性强的特点,是隧道施工期超前地质预报的常用方法.针对目前定点源三极观测方式易受到测线附近旁侧异常干扰与聚焦观测方式探测距离过短无法三维成像的问题,提出了一种基于多同性源阵列电阻率的隧道超前探测新方法,利用环形布置的多同性源供电压制隧道掌子面后方的异常体的干扰,同时增强掌子面前方远处异常体的敏感度,阵列电极测量可为含水构造的三维反演成像提供三维数据.首先,开展了含水构造超前探测的数值正演模拟,发现多同性源方法的视电阻率纵向微分曲线极小值以及与横轴的交点位置可对异常体位置进行定性判断,探讨了多同性源方法对后方及侧向异常干扰的响应特征及识别方法.其次,将电阻率光滑约束与轨迹光滑策略引入蚁群反演算法,提出了一种最小二乘方法与改进蚁群算法相结合的混合反演算法,反演数值算例表明混合反演算法能够实现含水构造的三维成像,较好地反演出不同距离的含水构造位置,并使其边界较为清晰.为了验证多同性源探测方法的探测效果开展了物理模型试验,多同性源阵列电阻率法能较好的反映含水构造的存在,与实际含水构造的位置较为相符.

关键词：隧道超前地质预报多同性源电极阵列三维电阻率反演改进蚁群算法混合反演物理模型试验

基于不等式约束的三维电阻率探测混合反演方法

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地球物理学报 2017年第2期60卷 820-832页

作者：刘斌刘征宇宋杰聂利超王传武陈磊山东大学岩土与结构工程研究中心济南250061

三维电阻率探测的线性反演和非线性反演中均存在着多解性的固有难题.电阻率线性反演方法的效率较高,但反演结果对初始模型的依赖性较强,易陷入局部极小;而非线性反演方法不依赖初始模型,但搜索效率极低,尚未见到关于三维电阻率非线性反... 详细信息

三维电阻率探测的线性反演和非线性反演中均存在着多解性的固有难题.电阻率线性反演方法的效率较高,但反演结果对初始模型的依赖性较强,易陷入局部极小;而非线性反演方法不依赖初始模型,但搜索效率极低,尚未见到关于三维电阻率非线性反演的文献.针对上述问题,融合线性与非线性反演方法的互补优势,提出了最小二乘法(线性方法)与改进遗传算法(非线性方法)相结合的混合反演方法的概念和思想.首先,提出了将介质电阻率变化范围作为不等式约束引入反演方程的思路,以实现压制多解性、提高可靠性的目标.提出了宽松不等式约束和基于钻孔推断的局部严格不等式约束的获取及定义方法.在此基础上,分别提出了基于不等式约束的最小二乘线性反演方法和遗传算法非线性反演方法.其次,对于遗传算法在变异搜索方向控制、初始群体产生等方面进行了改进,优化了其搜索方向和初始群体多样性.然后,提出了混合反演方法及其实现方案,利用改进遗传算法进行第一阶段反演,发挥其对初始模型的依赖程度低的优势,搜索到最优解附近的空间,输出当前最优个体;利用最小二乘法进行第二阶段反演,将遗传算法得到的当前最优个体作为初始模型,在最优解附近空间执行高效率的局部线性搜索,最终实现地电结构的三维成像.最后,开展了合成数据与实际工程算例验证,与传统最小二乘方法进行了对比,发现混合反演方法在压制多解性、摆脱初始模型依赖和提高反演效果方面有较好效果.

关键词：三维电阻率法探测混合反演不等式约束最小二乘线性反演改进的遗传算法

基于GPU混合反演的隧道电阻率超前探测成像研究

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地球物理学报 2017年第12期60卷 4916-4927页

作者：聂利超张欣欣刘斌刘征宇王传武郭谦刘海东王厚同山东大学岩土与结构工程研究中心济南250061

隧道施工期超前探测对于避免突涌水灾害的发生具有重要作用,为满足隧道三维电阻率超前探测快速化解译与成像的要求,本文提出了一种基于GPU并行的蚁群算法与最小二乘方法相结合的混合反演算法.该方法结合线性反演与非线性反演的优点,利... 详细信息

隧道施工期超前探测对于避免突涌水灾害的发生具有重要作用,为满足隧道三维电阻率超前探测快速化解译与成像的要求,本文提出了一种基于GPU并行的蚁群算法与最小二乘方法相结合的混合反演算法.该方法结合线性反演与非线性反演的优点,利用蚁群算法全局搜索能力强的优点为最小二乘反演提供较优的初始模型,以克服最小二乘算法容易陷入局部最优的缺点,提高了隧道三维电阻率反演成像的精度.同时,基于蚁群算法的天然并行性,提出了CUDA环境下的GPU并行策略,实现了三维电阻率反演的快速化成像.其次,开展了基于GPU混合反演的数值算例,与传统最小二乘线性反演进行了对比,基于GPU并行计算的混合反演计算效率得到了显著提高,对含水构造的位置、形态有较好的反映,压制了三维反演的多解性.最后开展了物理模型试验,结果表明基于GPU混合反演探测的低阻异常体与实际含水构造的位置较为相符,发现基于GPU加速的混合反演方法在提高探测精度与加快反演速度方面具有显著优势,为三维电阻率混合反演方法在隧道超前探测实际工程中的应用奠定了基础.

关键词：隧道含水构造三维电阻率超前探测 GPU并行计算混合反演蚁群算法模型试验