考慮黏結(jié)特性的水電地下洞室塊體地震響應(yīng)分析

李文倩，佟大威，王 振，魯文妍 2，朱曉斌，鐘登華

（1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

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考慮黏結(jié)特性的水電地下洞室塊體地震響應(yīng)分析

李文倩1，佟大威1，王 振1，魯文妍1 2，朱曉斌1，鐘登華1

（1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

摘要：在水電工程地下洞室的施工及運(yùn)行過(guò)程中，地震作用下塊體可能出現(xiàn)滑移失穩(wěn)甚至破壞，將會(huì)給工程帶來(lái)嚴(yán)重威脅，因此研究地震作用下地下洞室塊體的抗滑穩(wěn)定性具有十分重要的意義.實(shí)際工程中塊體與周邊巖體界面上存在黏結(jié)作用，而ABAQUS的接觸屬性中自帶的抗滑模型未考慮該特點(diǎn)，為此建立了考慮黏結(jié)強(qiáng)度影響效應(yīng)的地下洞室塊體修正抗滑模型，完善了塊體與基巖間的靜態(tài)作用與動(dòng)態(tài)相對(duì)滑動(dòng)的影響機(jī)理.通過(guò)驗(yàn)證模型與工程算例，研究了塊體在靜態(tài)及動(dòng)態(tài)荷載激勵(lì)下的響應(yīng)特征與穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了抗滑模型合理性與有效性的驗(yàn)證.對(duì)比經(jīng)典抗滑模型與修正抗滑模型的分析結(jié)果，在重力階段最大豎向位移分別為1.04 cm和0.05 cm，在地震過(guò)程中的平均豎向位移與最大豎向位移分別為2.24 cm、3.91 cm和2.07 cm、3.38 cm.上述結(jié)果反映了塊體在黏結(jié)特性的作用下具有更好的穩(wěn)定性.依次改變抗滑接觸屬性中的關(guān)鍵參數(shù)，討論了摩擦系數(shù)及黏聚力對(duì)塊體響應(yīng)與接觸面動(dòng)態(tài)特性的影響.

關(guān)鍵詞：巖石塊體；地下洞室；抗滑模型；動(dòng)力響應(yīng)分析；ABAQUS

我國(guó)大型水力發(fā)電工程多位于高山峻嶺之間，且地下洞室往往處于極其復(fù)雜的地質(zhì)條件下，其周邊分布的由地質(zhì)構(gòu)造面、隨機(jī)裂隙及臨空面等切割而成的曲面塊體是影響地下洞室穩(wěn)定性的主要安全隱患，在強(qiáng)震作用下塊體一旦發(fā)生滑移失穩(wěn)將對(duì)工程產(chǎn)生極其嚴(yán)重的影響，因此對(duì)大型地下洞室中局部塊體進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定性的模擬研究具有重要的工程意義.

大型地下洞室塊體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不僅受到工程施工過(guò)程與外界激勵(lì)作用的影響，同時(shí)還受到塊體自身具有的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定機(jī)理與接觸特性的影響.國(guó)內(nèi)較早的有關(guān)塊體穩(wěn)定分析方法由石根華［1］提出，他從塊體穩(wěn)定分析的幾何原理與巖體的影響因素出發(fā)建立滑動(dòng)體的數(shù)學(xué)模型.在國(guó)外，Goodman等［2-3］更早地對(duì)塊體理論與接觸問(wèn)題在巖體工程中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，并廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中［4］.地下洞室塊體結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析方法主要有連續(xù)數(shù)值方法［5］、非連續(xù)數(shù)值方法［6-8］與耦合數(shù)值方法［9］.目前在塊體領(lǐng)域的研究中常基于塊體理論并采用離散元法將巖石和節(jié)理分開(kāi)考慮，以反映巖體在裂隙面上的滑動(dòng)、張開(kāi)等特性［10］.鄭銀河等［11］基于塊體理論識(shí)別塊體，并在抗滑力（包括摩擦力和黏聚力）的作用下研究了考慮巖橋破壞的塊體穩(wěn)定性.付曉東等［12］基于非連續(xù)變形分析（DDA）在接觸面采用剛塑性模型處理節(jié)理黏聚力的作用，研究了二維滑坡塊體的安全系數(shù)［12］.鐘登華等［13］在曲面塊體的快速識(shí)別方法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元理論并采用Coulomb摩擦模型研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下的曲面塊體的地震響應(yīng).綜上所述，目前基于有限元理論的三維塊體動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的模擬較少，且相關(guān)研究忽視了巖體間黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)接觸面動(dòng)態(tài)特性的影響效應(yīng)，無(wú)法有效地體現(xiàn)實(shí)際工程中的接觸面動(dòng)力情況.

針對(duì)以上研究中存在的不足，本文考慮了實(shí)際工程中節(jié)理裂隙的不完整性與黏結(jié)特性，基于ABAQUS的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編制了摩擦接觸子程序，在ABAQUS自帶抗滑模型的基礎(chǔ)上建立并實(shí)現(xiàn)了適用于大型地下洞室穩(wěn)定性分析的“塊體周邊接觸面抗滑模型”.該修正抗滑模型充分考慮了塊體與基巖間的相互影響與作用機(jī)理，將離散元中關(guān)于裂隙面抗滑特性研究的理論在有限元方法中更好的實(shí)現(xiàn)，模擬實(shí)際工程中塊體周邊結(jié)構(gòu)面上的摩擦與黏結(jié)特性，以期更加合理地反映局部塊體及基巖在強(qiáng)震作用下的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程.首先在理論上給出了接觸面修正抗滑模型的基本原理與適用條件；其次，分別從驗(yàn)證模型與工程算例出發(fā)研究了“塊體周邊接觸面抗滑模型”的適用性與有效性；最后，研究了修正抗滑模型中相關(guān)參數(shù)變化對(duì)塊體響應(yīng)與接觸面動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律.

1　塊體周邊接觸面抗滑模型

大型水電工程地下洞室中塊體與基巖結(jié)構(gòu)間的接觸狀態(tài)可以分為脫開(kāi)、黏結(jié)和滑動(dòng)3種情況［14］.對(duì)于地下洞室中塊體與結(jié)構(gòu)間抗滑特性的模擬的關(guān)鍵在于，其一判斷塊體與基巖結(jié)構(gòu)間的接觸狀態(tài)；其二為在已知存在接觸的條件下采用合理的抗滑模型.

對(duì)于塊體與結(jié)構(gòu)間接觸狀態(tài)的判斷，主要基于塊體與基巖結(jié)構(gòu)間接觸面上的法向變形（位移）的大小及方向來(lái)確定，接觸面間法向模型表達(dá)式為

式中：σcn為接觸面法向應(yīng)力，Pa；kn為接觸面法向剛度，Pa/m；un為接觸面上法向相對(duì)變形（位移），m.

塊體在滑動(dòng)過(guò)程中受到的抗滑力包括摩擦力及黏聚力.結(jié)合廣義庫(kù)倫模型可以將塊體與基巖結(jié)構(gòu)間接觸面上的抗滑力描述為［14-15］

式中：τct為接觸面切向應(yīng)力，Pa；ut為接觸面上切向相對(duì)變形（位移），m；kt為接觸面切向剛度，Pa/m；f為接觸面上的摩擦系數(shù)；c為塊體與巖體結(jié)構(gòu)接觸面上的黏聚力，Pa；sgn（·）為符號(hào)函數(shù)，給定接觸面抗滑力的符號(hào)與方向.

ABAQUS有限元分析中針對(duì)接觸面間摩擦模型的極限剪應(yīng)力計(jì)算默認(rèn)采用Coulomb定律［16］，其抗滑狀態(tài)的判斷公式中不存在接觸面間的黏聚力項(xiàng)c，而在實(shí)際工程中地下洞室?guī)r體與由裂隙形成的塊體間應(yīng)存在黏結(jié)作用，本文對(duì)此進(jìn)行了完善.基于ABAQUS提供的開(kāi)放的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)Subroutine，運(yùn)用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)代碼，根據(jù)“塊體周邊接觸面抗滑模型”，自定義接觸面摩擦模型子程序FRIC，實(shí)現(xiàn)與ABAQUS中參數(shù)的對(duì)接，以反映剪應(yīng)力與接觸面作用的壓力之間的關(guān)系.

2　抗滑模型驗(yàn)證

2.1驗(yàn)證模型

建立圖1中的數(shù)值模型進(jìn)行ABAQUS摩擦子程序的合理性與有效性的驗(yàn)證.上部滑塊尺寸為10 m×10 m×10 m（長(zhǎng)×寬×高），用于模擬實(shí)際地下洞室中的塊體結(jié)構(gòu)，下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模擬地下洞室?guī)r體，尺寸為100 m×50 m×10 m.兩部分結(jié)構(gòu)所賦材料屬性相同，即密度為2 500 kg/m3，彈性模量為30.0 GPa，泊松比為0.20.下部基礎(chǔ)底面采用全約束處理，側(cè)面采用法向約束處理.施加荷載時(shí)先對(duì)上部滑塊施加一個(gè)方向豎直向下、大小為10 m/s2的重力加速度，重力平衡后在水平向再施加一個(gè)時(shí)長(zhǎng)為8 s且最大幅值為10 mN的動(dòng)態(tài)推力，在1～6 s時(shí)由0 mN線性增加至最大推力，并保持最大.

圖1　數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

2.2驗(yàn)證結(jié)果分析

基于上述數(shù)值驗(yàn)證模型，分別按照經(jīng)典抗滑模型與本文采用的修正抗滑模型對(duì)滑塊與基礎(chǔ)接觸面上的抗滑特性進(jìn)行模擬，設(shè)定接觸面摩擦系數(shù)為0.2，黏聚力為10 kPa，剪切剛度為10 mPa/m.根據(jù)上述數(shù)值模型與材料屬性，基于理論公式（3）可以計(jì)算獲得考慮黏結(jié)強(qiáng)度效應(yīng)的塊體抗滑模型條件下的解析解，其中上部滑塊將在總加載時(shí)間為5.0 s時(shí)開(kāi)始滑動(dòng)，滑塊最終恒定加速度a為1.6 m/s2，而接觸面上最大剪應(yīng)力τ 為60 kPa.

式中：Fmax為加載的水平推力最大值，N；u為接觸面摩擦系數(shù)；P為接觸面法向壓力，N；A為接觸面間接觸面積，m2.

圖2和圖3分別給出了經(jīng)典抗滑模型、修正抗滑模型與理論解析解3種條件下，滑動(dòng)塊體加速度和接觸面上的剪應(yīng)力曲線對(duì)比.由圖2可知，在經(jīng)典抗滑模型條件下，滑塊在總加載時(shí)間的第4.5 s開(kāi)始出現(xiàn)滑動(dòng)，而本文采用的修正抗滑模型考慮了塊體與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)間的黏聚力作用，從而增加了塊體滑動(dòng)的極限抗滑力，滑塊在總加載時(shí)間的第5.0 s發(fā)生滑動(dòng)，這與理論分析保持一致.而在總加載時(shí)間的第7.0 s時(shí)水平推力幅值達(dá)到最大，此時(shí)采用修正抗滑模型計(jì)算的滑塊最終恒定運(yùn)動(dòng)加速度為1.6 m/s2，與解析解相同，而經(jīng)典抗滑模型的計(jì)算結(jié)果為2.0 m/s2，從計(jì)算結(jié)果可知修正的抗滑模型中考慮黏聚力可使滑塊具有更好的抗滑穩(wěn)定性.

由圖3可知，采用兩種抗滑模型計(jì)算接觸面剪應(yīng)力均是在總加載時(shí)間的第2.0 s開(kāi)始隨著水平推力的增加而逐漸加大，直至經(jīng)典模型的第4.5 s和修正模型的第5.0 s時(shí)滑塊開(kāi)始滑動(dòng)，其界面剪應(yīng)力基本保持不變.考慮到修正模型中的黏聚力作用，其對(duì)應(yīng)的接觸面剪應(yīng)力為59.6 kPa，與解析解60.0 kPa基本相同，且大于經(jīng)典抗滑模型對(duì)應(yīng)的49.8 kPa，因此，本文所采用的修正抗滑模型及摩擦子程序的有效性得以驗(yàn)證.

圖2　滑動(dòng)塊體加速度曲線Fig.2 Acceleration curve of sliding block

圖3　滑動(dòng)塊體接觸面剪應(yīng)力曲線Fig.3 Shear stress on contact surface of sliding block

3　工程應(yīng)用

3.1工程概況與模型建立

所選工程位于我國(guó)西南地區(qū)瀾滄江下游，引水發(fā)電系統(tǒng)位于山體左岸，地下式廠房結(jié)構(gòu)，包括主副廠房、主變室、尾水閘門室及尾水調(diào)壓室等.建立整體計(jì)算模型（見(jiàn)圖4），模型尺寸為837 m×446 m× （299～551）m（長(zhǎng)×寬×高），主變室尺寸為348 m× 19 m×（23.6～38.6）m.其中，采用NURBS-TINBRep混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立復(fù)雜的地形體，結(jié)合幾何建模技術(shù)建立地下洞室群，并在此基礎(chǔ)上基于塊體理論耦合隨機(jī)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)，采用識(shí)別曲面塊體的三大定理：封閉性、完備性及唯一性，快速建立地下洞室區(qū)域的曲面塊體［17］.基于搜索到的曲面塊體，選取位于主變室拱頂部位的塊體為研究對(duì)象，建立的地形模型、洞室模型及塊體模型見(jiàn)圖4.

圖4　塊體與整體模型位置的注釋圖Fig.4 Position annotation of block and whole model

模型的本構(gòu)采用理想彈塑性模型，采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，巖體的彈性模量為16 GPa，密度為2.71 g/cm3，泊松比為0.23，抗拉強(qiáng)度為1.6 mPa，內(nèi)摩擦角為52°，圍巖阻尼采用Rayleigh阻尼，接觸屬性中摩擦系數(shù)為0.3，黏聚力為0.5 mPa.主要計(jì)算工況包括重力工況、開(kāi)挖工況及地震工況.計(jì)算輸入的地震波采用唐山余震天津醫(yī)院地震波，峰值加速度為145.8 cm/s2，地震持續(xù)時(shí)間為19.20 s，經(jīng)過(guò)調(diào)幅、地震波反演、基線校正及濾波等處理，基巖處的地震波加速度時(shí)程曲線見(jiàn)圖5，并在基巖模型底面的全部節(jié)點(diǎn)處施加x向地震激勵(lì).

圖5　基巖處地震加速度時(shí)程曲線Fig.5 Seismic acceleration time history in rock bottom

3.2對(duì)比分析結(jié)果

圖6和圖7分別給出了兩種抗滑模型條件下洞頂水平x向加速度及塊體水平x向相對(duì)基巖底部加速度.由圖7可知，經(jīng)典模型條件下塊體水平x向相對(duì)基巖底部加速度的均方根值為0.437 m/s2，而修正模型條件下對(duì)應(yīng)響應(yīng)為0.427 m/s2，也體現(xiàn)出修正模型考慮黏結(jié)特性后對(duì)塊體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響特性.

圖6　洞頂水平x向加速度Fig.6 Horizontal acceleration of roof in x direction

圖7　塊體水平x向相對(duì)加速度Fig.7 Horizontal relative acceleration of block in x direction

圖8給出了兩種抗滑模型條件下塊體運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)處的豎向位移對(duì)比.前2.0 s為重力與開(kāi)挖的靜力作用階段，經(jīng)典抗滑模型條件下兩階段的最大豎向位移分別為1.04 cm和1.19 cm，而修正的抗滑模型條件下對(duì)應(yīng)值分別為0.05 cm和0.49 cm.在地震階段，經(jīng)典抗滑模型條件下平均豎向位移與最大豎向位移分別為2.24 cm和3.91 cm，而修正抗滑模型對(duì)應(yīng)值分別為2.07 cm和3.38 cm，說(shuō)明在靜、動(dòng)力荷載激勵(lì)下，塊體在修正抗滑模型時(shí)發(fā)生的運(yùn)動(dòng)程度要小于經(jīng)典抗滑模型的響應(yīng)結(jié)果，在一般情況下，上述結(jié)果反映了塊體在考慮黏結(jié)特性的修正抗滑模型作用下具有更好的穩(wěn)定性.塊體在地震荷載激勵(lì)作用下相對(duì)周邊巖體會(huì)發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)，見(jiàn)圖9.

圖8　塊體豎向位移Fig.8 Vertical displacement of block

圖9　塊體相對(duì)巖體錯(cuò)動(dòng)示意Fig.9 Dislocation of block relative to rock

圖10和圖11分別給出了兩種抗滑模型條件下塊體水平x向絕對(duì)與相對(duì)位移時(shí)程.由圖中數(shù)值可知，基于修正抗滑模型計(jì)算結(jié)果整體均小于經(jīng)典抗滑模型計(jì)算結(jié)果，在整個(gè)地震階段經(jīng)典與修正抗滑模型最大水平x向位移分別為7.01 cm和6.78 cm，平均水平x向位移分別為2.26 cm和2.08 cm.從塊體的不同響應(yīng)結(jié)果可以看出，由于考慮了塊體與周邊基巖間的黏結(jié)特性，使得塊體在修正抗滑模型條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)整體上要明顯小于在經(jīng)典抗滑模型條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng).

圖10　塊體水平x向絕對(duì)位移Fig.10 Horizontal absolute displacement of block in x direction

圖11　塊體水平x向相對(duì)位移Fig.11 Horizontal relative displacement of block in x direction

圖12和圖13從塊體與周邊巖體接觸面的動(dòng)態(tài)特性出發(fā)，分別給出了圖中節(jié)點(diǎn)位置在兩種抗滑模型條件下切向剪應(yīng)力與界面脫開(kāi)情況對(duì)比.由圖12可知，基于修正抗滑模型計(jì)算獲得的剪切應(yīng)力曲線在整體趨勢(shì)中大于經(jīng)典抗滑模型的計(jì)算結(jié)果，其中前者最大剪應(yīng)力值達(dá)到0.22 mPa，而后者為0.16 mPa，前者在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中的平均剪應(yīng)力為0.12 mPa，而后者為0.10 mPa，其進(jìn)一步說(shuō)明了在動(dòng)力計(jì)算中，塊體與基巖間的黏聚力對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性起到了有效且明顯的作用.

圖12　塊體與周邊巖體界面剪應(yīng)力Fig.12 Shear stress on surface between block and rock

由圖13可知，在整個(gè)動(dòng)力計(jì)算過(guò)程中所選取節(jié)點(diǎn)處接觸面上出現(xiàn)脫開(kāi)的程度在修正抗滑模型作用下要更小，這說(shuō)明采用考慮接觸面上黏結(jié)特性的抗滑模型時(shí)塊體與周邊巖體具有更好的穩(wěn)定性.

圖13　塊體與周邊巖體界面脫開(kāi)Fig.13 Disengage on surface between block and rock

4　參數(shù)變化對(duì)響應(yīng)結(jié)果的影響

通過(guò)改變修正抗滑模型中摩擦系數(shù)與黏聚力關(guān)鍵參數(shù)，研究其變化對(duì)響應(yīng)結(jié)果的影響.重點(diǎn)研究了塊體與巖體摩擦系數(shù)取值范圍為0.1～0.7、界面黏聚力取值范圍為0.1～0.5 mPa時(shí)塊體與基巖間接觸面的動(dòng)態(tài)特性變化規(guī)律.圖14和圖15分別給出了塊體在重力階段與地震階段的豎向位移隨參數(shù)變化的響應(yīng)結(jié)果.由圖14可知，在重力階段，不同黏聚力條件下隨著摩擦系數(shù)的增加，塊體的豎向位移呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，而在選取相同的摩擦系數(shù)時(shí)，塊體豎向位移隨著黏聚力的增加也逐漸變小，以上各現(xiàn)象特別是在摩擦系數(shù)小于0.4且黏聚力值小于0.3 mPa時(shí)尤為明顯.然而當(dāng)摩擦系數(shù)達(dá)到0.7及黏聚力達(dá)到0.5 mPa時(shí)，改變對(duì)應(yīng)參數(shù)對(duì)塊體豎向位移的變化影響已經(jīng)較小，說(shuō)明該參數(shù)在此范圍時(shí)對(duì)塊體抗滑起到了決定性作用，而改變其余參數(shù)對(duì)塊體響應(yīng)影響不大.

圖14　重力階段塊體豎向位移Fig.14 Vertical displacement of block in gravity stage

圖15中模型在地震作用下塊體的豎向位移響應(yīng)結(jié)果隨著修正抗滑模型中摩擦系數(shù)與黏聚力的增加而呈現(xiàn)整體上的減小趨勢(shì)，各工況下塊體響應(yīng)幅度（均方根值）最大為2.22 cm，最小為1.69 cm，在摩擦系數(shù)與黏聚力分別處于較低水平時(shí)，改變對(duì)應(yīng)參數(shù)對(duì)塊體整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有較為明顯的影響.而當(dāng)摩擦系數(shù)為0.4且黏聚力達(dá)到0.5 mPa這一較大量級(jí)時(shí)，摩擦系數(shù)的改變對(duì)塊體的豎向位移影響效果基本不變，說(shuō)明在此時(shí)的動(dòng)力條件下塊體整體穩(wěn)定性主要受到抗滑模型中黏聚力項(xiàng)的影響，與摩擦系數(shù)的關(guān)聯(lián)較弱.

圖15　地震階段塊體豎向位移Fig.15 Vertical displacement of block in seismic stage

5　結(jié) 論

（1）本文采用的修正抗滑模型考慮了塊體與基巖間的相互影響與作用機(jī)理，將離散元中關(guān)于裂隙面抗滑特性研究的理論在有限元理論中更好的實(shí)現(xiàn)，模擬實(shí)際工程中塊體接觸面上的摩擦與黏結(jié)特性，更合理地反映了局部塊體及基巖在強(qiáng)震作用下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定與變化過(guò)程.

（2）通過(guò)驗(yàn)證模型結(jié)果可知，在動(dòng)態(tài)荷載作用下基于修正抗滑模型的計(jì)算結(jié)果要明顯小于通過(guò)經(jīng)典抗滑模型計(jì)算的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，并基于理論公式得到修正抗滑模型條件下的解析解，與修正抗滑模型條件下驗(yàn)證模型的響應(yīng)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明本文采用修正抗滑模型的有效性與正確性.

（3）基于某工程算例，全面分析了計(jì)算模型在初始階段、開(kāi)挖階段及地震階段，兩種抗滑模型條件下塊體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及塊體周邊接觸面上的動(dòng)態(tài)接觸特性，通過(guò)對(duì)比經(jīng)典抗滑模型與修正抗滑模型的響應(yīng)結(jié)果，進(jìn)一步分析了本文采用的修正抗滑模型能夠合理地模擬地下洞室塊體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.

（4）通過(guò)改變修正抗滑模型中關(guān)鍵參數(shù)的取值，研究了其對(duì)塊體結(jié)構(gòu)在靜、動(dòng)力作用下響應(yīng)結(jié)果的影響.研究結(jié)果表明，地下洞室塊體結(jié)構(gòu)在摩擦系數(shù)與黏聚力增大的情況下，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；而在摩擦系數(shù)或黏聚力較大時(shí)，另一參數(shù)的改變已經(jīng)不能顯著影響塊體的整體穩(wěn)定性.

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（責(zé)任編輯：樊素英）

Seismic Responses of Underground Cavern Block in Hydraulic Engineering Considering Bond Characteristics

Li Wenqian1，Tong Dawei1，Wang Zhen1，Lu Wenyan1 2，Zhu Xiaobin1，Zhong Denghua1
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Nanjing Research Institute of Water Conservancy，Nanjing 210029，China）

Abstract：During the construction and operational process of underground cavern in hydraulic engineering，it is of great significance to study the anti-sliding stability of underground cavern blocks excited by earthquake because the occurrence of block’s instability and damage induced by seismic loads may bring a serious threat to the projects.In view of the bond characteristics on the contact surface between block and rock in the practical projects，an antisliding model for the underground cavern block considering the effect of bond strength was proposed to improve the contact simulation performance of original Coulomb model in ABAQUS and perfect the influencing mechanism of the static behavior and dynamic relative sliding between block and rock.Further，not only the response behavior and stability of the blocks under the static and dynamic excitations was researched，but also the rationality and validity of the anti-sliding model was verified.Under the separate simulation by classical and modified models，the maximum vertical displacements of block in gravity stage are 1.04 cm and 0.05 cm，respectively，and the average vertical displacements and the maximum vertical displacements of block in seismic stage are 2.24 cm，3.91 cm and 2.07 cm，3.38 cm，respectively.The comparison result indicates that the anti-sliding model considering the bond effect has better stability.In addition，the influences of friction coefficient and cohesion in the anti-sliding model on block responses and dynamic characteristics on the contact surface were also discussed comprehensively.

Keywords：rock block；underground cavern；anti-sliding model；dynamic response analysis；ABAQUS

中圖分類號(hào)：TV312

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0493-2137（2016）04-0369-07

DOI:10.11784/tdxbz201507002

收稿日期：2015-07-01；修回日期：2015-10-22.

基金項(xiàng)目：國(guó)家創(chuàng)新研究群體基金資助項(xiàng)目（51321065）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（51439005）；天津市自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（13JCQNJC08900）.

作者簡(jiǎn)介：李文倩（1986— ），女，博士研究生，bxqe@163.com.

通訊作者：魯文妍，wylu@nhri.cn.