3.FLAC应用举例分析.doc

3 FLAC应用举例分析以上内容详细地介绍了使用FLAC程序建模的过程，以及建模过程中应注意的问题，下面将用实例进一步说明FLAC二维程序以及三维程序的具体应用。1、北京市引进陕甘宁天然气市内扩建工程圆明园调压站进出线下穿京包铁路及城市铁路暗挖工程。(1)工程简介本工程为北京市引进陕甘宁天然气市内扩建工程圆明园调压站进出线土建工程的一部分。该工程位于海淀圆明园前八家西侧、下穿城市铁路及京包铁路。暗挖隧道呈东西走向，全程61.455m，隧道中线与京包线相交处铁路里程为K19+579.6，与城铁相交处城铁里程为K7+897.4。为了确保北京市引进陕甘宁天然气市内扩建工程圆明园调压站进出线下穿京包铁路及城市铁路暗挖工程施工期间的安全，本着稳妥可靠、安全第一、经济合理、技术先进的原则，将对隧道在开挖过程中引起的上覆岩土层和暗挖隧道移动变形进行数值计算，以确定隧道施工引起的铁路地基沉降量和隧道变形量。(2)数值计算模型由于隧道范围较长且左右对称，假设整个隧道在轴线方向变形很小，用平面应变模型假设，即垂直于计算剖面方向的变形为零，因此本工程选择其中一个剖面的右半部分进行数值模拟和力学分析。高填土素填土粉质粘土注浆区砼衬砌24.15m7.35m4.2m12.6m14.25msy=2.7 kPa图6-41 城铁暗挖工程岩性分布图隧道宽度5.7m，模型宽度取半个隧道宽度的5倍，即14.25m，模型总高度为24.15m，其中：自地表至隧道顶部深度7.35m，隧道高度4.2m，隧道底部向下取隧道高度的3倍，即12.6m，图6-41是数值计算模型岩性分布图。根据模型的尺寸，模型共划分为15295个平面单元，构成计算模型单元网格尺寸平均为0.150.15m(图6-42)，模型两侧限制水平方向移动，模型底面限制垂直方向移动。14.25m24.15m图6-42 城铁暗挖工程数值计算网格图(3)数值模拟计算结果分析图6-43、6-44给出了城铁暗挖工程开挖后的位移场，从图中可以看出，开挖引起的地面最大位移为17.47mm，在隧道一侧的地表下沉影响宽度为8m左右，隧道顶部沉降量为10.52mm。计算结果表明：整个隧道的垂直位移场和水平位移场的分布是合理的，引起的路面沉降量也在合理的范围以内，因此采用标号C25的混凝土衬砌以及注浆加固部分土体可以满足工程的稳定性需要。图6-43 开挖后隧道垂直位移场图6-44 开挖后隧道水平位移场2、首钢水厂铁矿高陡边坡优化设计(1)工程简介首钢水厂铁矿位于河北迁安，是北京地区最大的露天开采铁矿，也是首钢重要的钢铁原材料基地之一。由于首钢水厂铁矿边坡最终坡角设计值较小，造成了剥岩量增加，采剥比减小，很大程度的降低了矿山的经济效益，因此在保证边坡稳定性的基础上需要对铁矿最终边坡角进行优化。本研究选择具有代表性的边坡剖面对边坡进行破坏机理以及稳定性分析，并给出边坡角的具体优化方案。(2)数值模拟计算模型典型剖面原设计坡角整体41，根据边坡岩体力学特性，优化后的边坡最终境界在标高+50m处分为上、下两段，上部边坡角43，下部边坡角45。取模型宽度1093.85m，垂直方向从水平-600m起，一直模拟到地表，高度为925m。模型共有41140个平面单元，单元网格尺寸平均为55m，其中包括F36、F11和F8三条断层。图6-45、图6-46显示典型剖面计算模型开挖前的岩性分布和边坡最终开挖形态。图6-45 典型剖面边坡数值计算岩性分布图(开挖前)图6-46 典型剖面边坡最终开挖形态(3)数值计算结果分析计算结果表明，受矿体分布形态和浅部人工堆积物的影响，典型地质剖面边坡开挖过程中岩体的破坏区比较发育，塑性变形区深入岩体内部较深，大部分塑性变形区在边坡形成后重新恢复到弹性应力状态，在断层之间和边坡底部浅层岩体出现拉破坏和弧形剪切破坏。当典型剖面边坡采取优化方案(4345)时，边坡的破坏性质基本没有发生变化，边坡的破坏范围减小，边坡坡脚处没有出现滑移迹线，不会发生局部垮落(图6-47)。边坡的最大水平位移量减小到25cm(图6-48)。通过以上的研究表明，水厂铁矿边坡的开挖采用优化方案(4345)是最佳方案。采取优化方案(4345)时，边坡角有所提高，边坡破坏场的范围有所减小，边坡坡脚处不出现剪切滑移带，边坡总体产生的水平位移量减小。图6-47 典型剖面边坡优化方案(4345)中岩体破坏场图6-48 典型剖面边坡优化方案(4345)中岩体水平位移场4、抚顺老虎台矿开采引发矿震的研究(1)工程简介老虎台矿位于辽宁省抚顺市市区南部，抚顺煤田中部。井田范围：西部以矿区坐标E3450米为界，与西露天矿、胜利矿井田相邻；东部以矿区坐标E8400米为界，与龙凤矿相邻；南至煤层露头，北至F1断层和F18断层。老虎台井田东西走向4.95公里，南北宽2公里左右，井田面积约10平方公里(图6-55)。图6-55 老虎台矿平面位置图老虎台矿井田地层自下而上分别为：太古界鞍山群、中生界下白垩系、新生界下第三系抚顺群和第四系。煤系地层赋存于下第三系抚顺群古城子组，该组为特厚复合煤层，由238个分层组成，厚度8.57110.5m，平均厚度为59.58m。煤层由南向北倾斜，平均倾角30左右。顶板岩层主要由油母页岩(平均厚度194m)，泥岩(平均厚度422m)和页岩(平均厚度225m)构成，底板和周围岩层有凝灰岩、凝灰砂岩、玄武岩和片麻花岗岩等。在井田范围内，有大型断裂14条，其中对开采影响较大的断层有F25，F16，F18，F26，F7-1，F1和F1-A断层(图6-56)。图6-56 老虎台矿煤层与断层分布图老虎台煤矿已有近100年的开采历史(表6-2)，目前开拓水平-880m，开采水平-780m。近年来，随着开采深度的增加以及开采位置逐步逼近断层和向斜构造，开采动力现象日渐频繁，冲击地压和开采引起的矿震时有发生，冲击强度和震级急剧增大(表6-3，图6-57)，并导致井下伤亡事故。表6-2 老虎台矿开采深度、时间与开采方式关系对照图表表6-3 1998.012000.05 抚顺老虎台矿矿震级别与次数统计矿震级别(ML)11.51.62.02.12.52.63.03.13.6合计矿震次数5721167529863197776图6-57 1988-2000年抚顺大于2.0ML矿震事件统计(2)数值模拟计算模型三维计算模型容括了老虎台矿大部分开采区域。计算模型沿走向长3800m(矿区坐标E4200E8000)，沿倾斜宽3000m(大地坐标45007500)，高度约1100m(自地表至-1000m)(图6-56)。三维模型共划分有119340个单元，135298个结点，其中包括七条对开采影响较大的断层，有F25，F16，F18，F26，F7-1，F1和F1-A断层。图6-58是三维模型网格图，图6-59是典型位置处的剖面图。图6-58 三维计算模型网格图F1F25F1-AF26(a)F18F16F1F7-1(b)图6-59 典型位置处的剖面图：(a) E5200，(b) E7550(3)数值模拟结果分析通过对漫长的开采历史过程的模拟反演，对应力场有三点基本认识： 随着开采深度的增加，煤岩体中的应力集中程度逐渐加大，具体表现在煤岩体集中应力值的增加和集中范围的局部化； 在逐步接近断层区域开采时，断层附近的应力集中分布模式发生本质性的变化，由跨断层对称分布转变为以断层为核心的非对称集中分布； 在井田范围内，由于周围开采形成的“孤岛”煤层存在较高的应力集中区，这给本区煤层开采将造成影响。通过对漫长的开采历史过程的模拟反演，对破坏场也有三点基本认识： 浅部开采引起的地表破坏角度小于深部开采，岩体破坏角变化范围5065； 断层带对岩体破坏具有“屏蔽”效应，当地下开采引起的岩体破坏波及到断层带附近时，岩体破坏扩展可在断层处截止； 开采引起的覆岩破坏在断层附近表现出局部化特征，当该处岩体受开采扰动并具有运动空间时，局部化破坏带将产生较大规模的运动并伴随能量的释放。这是构成开采诱发矿震和冲击地压的力学机理。1992图6-60(a)