Simulación geofísica de ingeniería
Al analizar y evaluar algunos fenómenos geológicos complejos relacionados con proyectos importantes, a menudo es necesario utilizar métodos de investigación de simulación para una demostración y evaluación en profundidad. La investigación en simulación se puede dividir en dos tipos: simulación física y simulación numérica. El primero incluye simulaciones fotoelásticas, simulaciones eléctricas y ensayos de simulación geomecánica de materiales similares. Este último utiliza métodos de cálculo numérico como elemento finito, elemento límite y elemento discreto.
La tarea básica de la investigación de simulación es demostrar algunos o todos los temas reproduciendo la formación y evolución de fenómenos geológicos complejos: ① Verificar la geología Analizar si el modelo de mecanismo establecido o el modelo conceptual es consistente con la realidad y realizar un análisis más profundo (cuantitativo) de su mecanismo de evolución (2) Evaluar cuantitativamente la correlación entre los principales factores de control y las fuerzas internas y externas dominantes en el; proceso de evolución de los fenómenos geológicos y demostrar lo establecido Evaluar si el modelo es razonable ③Evaluar cuantitativamente la evolución y tendencia de desarrollo de los fenómenos o procesos geológicos en condiciones ambientales, y demostrar si el modelo de predicción establecido es creíble; ④Evaluar cuantitativamente el efecto del diseño de ingeniería; o medidas de tratamiento, y demostrar si las contramedidas y planes propuestos son efectivos y optimizados.
En los últimos diez años, la investigación de pruebas de simulación geológica de ingeniería de mi país ha logrado grandes avances. Sobre la base de una amplia introducción de tecnologías extranjeras avanzadas, se exploran enfoques de investigación adecuados a las condiciones nacionales de China, que se caracterizan por el énfasis en el análisis de modelos de prototipos y la simulación de la evolución de todo el proceso. En la investigación de simulación de peligros geológicos y cuestiones complejas de estabilidad de macizos rocosos, se ha ido formando gradualmente un sistema de investigación con características chinas. Este artículo presenta principalmente los principios, métodos y aplicaciones básicos de las pruebas de modelos geomecánicos de materiales similares.
Principios y métodos de las pruebas de simulación geomecánica
2.1 Diseño del modelo
Según la teoría de la similitud, además de la similitud en geometría y mecánica, materiales del prototipo y del modelo. También se requiere que tengan Para características similares del proceso de deformación y fractura, las curvas de tensión (σ) y deformación (ξ) deben satisfacer las siguientes relaciones:
Costra superficial y ergonomía
Donde: Cξ es el coeficiente de similitud de deformación (relación entre el prototipo Cp y el modelo Cm, lo mismo que a continuación; Cξ es el coeficiente de similitud de la deformación residual). Según el análisis dimensional, se pueden establecer las siguientes relaciones:
Corteza superficial y ergonomía
donde Cσ, CE, CL, Cδ y Cρ son tensión, módulo elástico (variable) respectivamente Módulo), dimensiones geométricas, desplazamiento y coeficientes de similitud de densidad del material.
En el diseño del modelo, otros elementos se pueden calcular según la fórmula (2) según el coeficiente de similitud geométrica formulado en el diseño.
Coeficiente a partir del cual se determina la selección de materiales, la elaboración del modelo y el diseño del sistema de carga.
2.2 Materiales del Modelo
Polvo de barita, polvo de óxido de zinc, polvo de diatomita, polvo de magnetita, polvo de hierro, partículas de plomo, partículas de poliestireno, arena de cuarzo, etc. A menudo se utiliza como agregado. Los aglutinantes pueden ser yeso, aceite de parafina, glicerina, aceite de motor y resina epoxi.
Las propiedades mecánicas de los módulos que utilizan yeso como material cementante principal están determinadas por la proporción de agregado y la proporción de agua a yeso del material cementante. El Laboratorio Rock Foundation de la Academia de Ciencias de Yangtze llevó a cabo un estudio sistemático. estudio sobre esto (Tabla 1). Cuando se utiliza aceite de parafina como material cementante, es necesario presionarlo para formar bloques con algún equipo especial para fabricar módulos, o apisonarlo para darle forma. Las propiedades mecánicas del módulo no sólo están relacionadas con la selección del material y proporción de áridos, sino que también dependen en gran medida de la presión ejercida por el moldeo o de la densidad del módulo ρ (Tabla 2).
Tabla 1 Resultados de las pruebas de propiedades mecánicas del módulo cementado con yeso
Tabla 2 Resultados de las pruebas de propiedades mecánicas del módulo de compresión de material en polvo
2.3 Simulación de la superficie estructural
La resistencia al corte se utiliza a menudo como condición de control. Coeficiente de fricción coeficiente de similitud Cf=1, cohesión CC=Cσ. Las superficies estructurales duras, como juntas y grietas, se modelan mediante superficies de contacto del módulo. La forma del módulo debe determinarse en función de la combinación de grietas. Cuando es necesario considerar la conectividad de las fracturas, el modelo se puede convertir en un módulo de mosaico.
Para superficies estructurales débiles (como fallas con buena continuidad, capas intermedias débiles, capas, superficies de contacto geológico, etc.), se utilizan papel de aluminio y película de polietileno como materiales de capa intermedia para la simulación, y también se puede utilizar talco en polvo. rociar para obtener un bajo coeficiente de fricción. El valor f simulado puede variar de 0,08 a 0,75. Cuando es necesario simular el alto rendimiento de compresión de superficies estructurales débiles, como fallas, se puede seleccionar como cojín papel higiénico o corcho del espesor apropiado.
2.4 Sistema de carga
Las cargas externas se cargan mediante diferentes tipos de gatos o almohadas (bolsas). Para simular la presión del agua de los poros (vacíos), se puede utilizar el método de aireación del colchón de arena (agua) en el módulo, o se puede inyectar agua directamente en el modelo de diferentes maneras.
Se pueden aplicar cargas dinámicas montando vibradores en la superficie de acción para simular los efectos de vibración según se desee. Un método más completo es colocar todo el modelo en una mesa vibratoria y utilizar una mesa vibratoria tridimensional para simular el entorno dinámico.
La carga muerta es una fuerza de volumen. Para que el modelo refleje plenamente el papel del peso propio de la roca (suelo) en el proceso de evolución, es mejor acercar la densidad del modelo a la del prototipo. En pruebas de modelos a gran escala, el sistema de compensación de presión de los tirantes se puede utilizar para presurizar el modelo en capas para compensar la carga de peso propio necesaria. El tirante está conectado a la base que aplica tensión a través de bandas elásticas. El número de bandas elásticas determina la tensión de tracción que soporta el tirante, simulando así el gradiente del campo de gravedad. En las pruebas de modelos a pequeña escala, el modelo se puede colocar en el cubo de una centrífuga y girar a alta velocidad para aumentar su propio peso. La Academia de Ciencias del Río Yangtze y el Instituto de Recursos Hídricos y Energía Hidroeléctrica han instalado grandes centrifugadoras de alta velocidad con un diámetro de 6 m.
2.5 Sistema de medición
El método convencional de medir el desplazamiento es la medición directa con un indicador de cuadrante, o la medición con galgas extensométricas multipunto con una galga extensométrica o un sensor de desplazamiento. Este tipo de prueba es muy necesaria en las pruebas, pero tiene grandes limitaciones. Dado que los datos obtenidos sólo pueden reflejar información de puntos de medición fijos, es difícil describir los signos de deformación por flexión y fractura de una sección completa. Este método no es adecuado para algunos modelos con materiales muy blandos. De acuerdo con las características y requisitos especiales de las pruebas de modelos, mi país ha desarrollado y adoptado las siguientes tecnologías de prueba: ① fotografía de seguimiento o fotografía rápida (2) copia de la rejilla de tóner para observar y medir la ubicación y las características de la ruptura después de una gran deformación; el modelo; ③ método de moteado de luz blanca para medir las trazas de microdesplazamiento de toda la sección de puntos de prueba clave (4) el método de cuadrícula proyectada se utiliza para medir el desplazamiento en el plano de grandes puntos de sección transversal del material blando; modelo; ⑤ el método de imagen muaré se utiliza para medir la sección completa del modelo de material blando o un cierto desplazamiento fuera del plano de la región.
3 Aplicación de la evaluación de la estabilidad del macizo rocoso en ingeniería
3.1 Simulación de la estabilidad del macizo rocoso en los cimientos de la presa
La presa de las Tres Gargantas propuesta en el río Yangtze tiene 65438 ± 0,75 metros de altura La base de la presa es granito plagioclasa anfibolita presiniana y la roca es dura y completa. Sin embargo, hay grietas relativamente desarrolladas suavemente inclinadas en los cimientos de la presa de la central izquierda, y las fallas se cruzan con ellas, formando un posible cuerpo deslizante en forma de cuña (Fig. 1a). Se deben considerar las siguientes cuestiones principales para la estabilidad general de la sección del pozo de la central eléctrica: ① Las condiciones de posibles cuerpos deslizantes y su impacto en la estabilidad de la presa (2) Si la diferencia de altura de 79 m desde la orilla hasta la superficie de cimentación del lecho del río; causará una deformación dañina por compresión desigual. ③ La profundidad máxima de la excavación del pozo de cimentación en la dirección del frente y el retorno del agua es de 120 m. ¿Qué es la estabilidad de taludes? Para demostrar los problemas anteriores, es necesario comprender el campo de desplazamiento de cada sección de la presa bajo la carga de diseño, la seguridad bajo sobrecarga y el posible mecanismo de falla, y brindar sugerencias para el tratamiento de los cimientos. Con este fin, la Academia de Ciencias del Río Yangtze completó una prueba de modelo geomecánico a gran escala con el Instituto Italiano de Experimentos de Estructuras Modelo (ISMES) proporcionando asesoramiento técnico y equipos de medición (Figura 1b). CL=150, Cρ=1, CE=Cσ=CL del modelo. Para el moldeo se utilizan barita en polvo, aceite de motor (en lugar de aceite de parafina), litopone (en lugar de polvo de óxido de zinc) y otros módulos de compresión. Las tasas de conectividad de fallas y fallas suavemente inclinadas son del 10% ~ 50% y 50% respectivamente. Se utiliza una serie de gatos para cargar el macizo rocoso y cambiar la densidad (ρ) para representar la presión de levantamiento.
Figura 1 Simulación geomecánica de la estabilidad del tramo izquierdo de la presa de la central eléctrica de la Presa de las Tres Gargantas
Las principales conclusiones son las siguientes:
(1) Bajo la carga de diseño, cada sección de la presa La reserva de seguridad puede cumplir con los requisitos, y la reserva de seguridad de la superficie de cimentación es mayor que la de la superficie de ruptura suavemente inclinada. Cuando la presa está sobrecargada (3,5 N), algunas secciones de la presa se deslizarán a lo largo de la primera superficie de grieta suave subyacente o irán acompañadas de grietas en el talón.
(2) Bajo la carga de diseño, el desplazamiento relativo entre el sitio de la presa y el edificio de la fábrica es muy pequeño. El desplazamiento horizontal máximo de las secciones de presa adyacentes es de 11,1 mm y el desplazamiento relativo máximo de asentamiento es de sólo 4,1 mm, lo que resulta beneficioso para el diseño de tuberías de presión entre presas e instalaciones de cierre de agua.
(3) Bajo las condiciones de carga de diseño, los taludes superior e inferior son estables. Cuando la carga es de 3,5 ~ 3,8 N, la pendiente inferior de algunas secciones de la presa se desliza significativamente a lo largo de la superficie de fractura suavemente inclinada.
Los resultados de las pruebas muestran que se deben tomar las medidas de refuerzo correspondientes para las grietas y fallas ligeramente inclinadas subyacentes en la sección sur.
3.2 Simulación del mecanismo de soporte del anclaje de hormigón proyectado para la roca circundante de la caverna subterránea
Se realizó un estudio experimental sobre la estabilidad de la roca circundante de la caverna subterránea en un medio- Resistencia del macizo rocoso homogéneo bajo diferentes medidas. Cuatro modelos de 50 cm × 50 cm × 20 cm (Figura 2a) están hechos de yeso, arena y otros materiales, simulando respectivamente sin soporte (I en la figura), soporte de anclaje (II), soporte de hormigón proyectado (Hay cuatro situaciones: III ) y refuerzo de anclaje (IV). El refuerzo del anclaje se realiza después de que se forma el agujero y la deformación de la pared del agujero ha alcanzado básicamente un estado estable. El modelo está presurizado en un dispositivo de prueba de carga triaxial para simular el campo de tensión in situ. La resistencia a la compresión del material del modelo es RC=2MPa, la resistencia a la tracción St=0,2MPa, el módulo elástico E=1,25×104MPa, la relación de Poisson μ=0,17, φ=41, c=0,45MPa y los materiales de pulverización son yeso. y carbonato cálcico en mezcla con agua: RC=1,45MPa, St=0,28MPa, E = 65445 MPa.
Las principales conclusiones son las siguientes: ① En cavernas de material homogéneo, el anclaje del hormigón proyectado también tiene evidentes características. efectos de refuerzo; ② Las diferentes medidas no tienen un efecto obvio sobre la deformación y la forma de falla de la roca circundante de la caverna (Figura 2b); ③ El soporte del anclaje y el refuerzo del anclaje tienen efectos obvios sobre la mejora de la capacidad de carga y la rigidez de la deformación de la caverna.
Figura 2 Prueba de simulación del mecanismo de las medidas de soporte de la caverna
4 Estudio de simulación sobre el mecanismo de formación de fisuras del suelo en Xi'an
En cuanto a las causas De las fisuras del suelo en Xi'an, hay múltiples perspectivas. A partir de la reproducción del proceso de formación y evolución de las fisuras terrestres, este estudio demuestra si el origen de la "expansión gravitacional tectónica" puede explicar este fenómeno geológico especial. Las fisuras del suelo se desarrollan en la roca cenozoica, con un espesor de unos 5 km, y están rodeadas por cuatro fallas extensionales. La falla Lintong-Chang'an en el sur es la falla límite entre la cuenca y el cinturón plegado de Qinling, y es una falla normal activa. El eje del abultamiento del manto está cerca del área urbana de Xi y pasa en dirección NEE. El modelo utiliza una mezcla de polvo de barita, tierra de diatomeas y aceite de parafina, pavimentada y compactada en capas, y restringida dentro de un marco que representa las fallas circundantes, C L = 10000. Los paneles de plexiglás se utilizan como ventanas de observación transversales en los lados este y oeste.
La base descansa sobre vigas de acero arqueadas y se puede subir y bajar para simular la elevación del manto terrestre. El deflector sur se puede levantar e inclinar para simular la actividad extensional de la falla Lintong-Chang'an. El método de imagen muaré se utiliza para medir pequeños desplazamientos fuera del plano en la superficie superior (Figura 3).
Estudio de simulación sobre la relación entre el deslizamiento de tierra de Jibazi y las fuertes lluvias en el río Yangtze
El 24 de julio de 1982, el deslizamiento de tierra de Jibazi ocurrió cerca del condado de Yunyang en el río Yangtze, que fue una resurrección local de un antiguo deslizamiento de tierra. Para demostrar la relación cuantitativa entre la reactivación de deslizamientos de tierra y la disminución del talud hidráulico del agua subterránea, se realizó un estudio de simulación. El modelo está hecho de diferentes proporciones de grava fina, arena y tierra basándose en la estructura del prototipo. La superficie deslizante k está cubierta con una película de polietileno. Saque los tubos de goma de diferentes profundidades a lo largo de la sección longitudinal y mida la altura de presión del tubo de presión lateral. La pulverización de agua artificial simula lluvias y lluvias intensas.
La "lluvia" en el modelo cayó a las 3:30 a. m., casi 20 horas después. La apariencia después del deslizamiento se puede comparar con la situación real. Al inicio, el gradiente hidráulico del agua subterránea en el cuerpo deslizante es 65438 ± 0,9%, lo que se aproxima al valor calculado real. Este valor se puede utilizar como valor de referencia para evaluar la estabilidad de taludes en condiciones de fuertes lluvias.
Figura 3 Simulación geomecánica de fisuras del terreno en Xian