卸载岩爆试验及PFC3D数值模拟研究

以张家口-石家庄高速公路隧道岩爆灾害为工程背景,进行室内卸载岩爆试验;并基于颗粒流法和PFC3D程序,采用内置Fish语言编制加卸载命令流,进行卸载岩爆试验数值模拟,得出不同应力状态下的岩样细观破裂现象与过程,可有效地判别与验证岩爆的产生.研究结果表明:(1) 研究区域灰质白云岩的岩爆类型为瞬时岩爆,岩爆烈度等级为IV级;岩爆发生时试件端部全面崩垮,试件卸载面中部片状剥离并伴随颗粒混合弹射.(2) 根据应力环境的变化,卸载岩爆试验的进程可分为平静期、局部颗粒弹射期、发展期及最终爆发期等4种状态.(3) 瞬时岩爆发生时的颗粒黏结破裂机制以张拉型破裂为主、剪切型破裂为辅.(4) 模拟卸载岩爆发生时的荷载等级、试件应力-计算时步曲线、破坏形式等均与室内试验结果较为吻合,表明PFC3D数值模拟方法可部分代替室内卸载岩爆试验,大幅降低试验费用,是岩爆试验研究中的一种新的有效途径.     

被动柔性防护网中减压环力学试验及有限元分析

 为研究被动柔性防护网中减压环力学模型和耗能计算公式,首先,分析减压环的作用机制,得到其受力性能的主要影响因素为：预紧力、铝套筒长度、钢管壁厚和钢管环径;接着,进行减压环力学试验及有限元分析,验证结果与试验结果吻合较好;然后,进一步研究主要影响因素下减压环的荷载–位移曲线及其耗能特点,并结合工程实例,对比分析有减压环和无减压环时被动柔性防护网在落石冲击下的动力响应。研究结果表明：(1) 减压环启动荷载随铝套筒长度的增大或钢管环径的减小而增加。其耗能在一定范围的铝套筒长度下变化较显著,而钢管环径对耗能的影响不大;(2) 减压环启动荷载及耗能随着预紧力或钢管壁厚的增大而增加;(3) 减压环的荷载–位移曲线满足三阶段变化规律,提出的三折线分析模型能够很好地反映减压环荷载–位移曲线特点,给出的耗能计算公式便于减压环的设计及工程应用;(4) 减压环能使被动柔性防护网的柔性增强,冲击作用时间延长,并能降低与减压环连接的拉锚绳、支撑绳等构件的耗能。     

碎屑流冲击下柔性防护网的力学简化模型

柔性防护网是一种广泛应用于碎屑流防治的防护结构,目前缺乏综合考虑碎屑流冲击荷载组成特征及支撑绳受力特征的力学模型对其防护特性进行评估。基于碎屑流冲击拦挡结构的2种冲击模式,并考虑动、静及摩擦冲击荷载的组成,构建碎屑流的冲击荷载计算模型,并在考虑碎屑流不同冲击阶段和冲击模式的基础上,结合索结构力学,建立考虑碎屑流荷载组成和支撑绳受力特征的柔性防护网力学简化模型。对比碎屑流冲击柔性网的室内滑槽模型试验结果发现,底部支撑绳冲击荷载计算结果比试验值偏大,坡面堆积工况下的冲击荷载和柔性网受力计算结果基本符合试验结果,而连续冲击工况的计算结果大于试验结果。总体上,力学理论模型可以有效地描述其余支撑绳上所受荷载的非线性分布特征,且计算结果偏保守。     

十字型网状结构在泥石流块石冲击下的动力响应数值模拟

针对柔性网变形性好和钢管混凝土抗冲击性能良好的优点,提出十字型网状结构,用来抗击泥石流灾害中的块石冲击。利用有限元软件ANSYS LS-DYNA进行数值模拟,得到结构在不同冲击速度、不同冲击网直径、不同冲击物质量和不同冲击高度条件下的动力响应。结果表明:1)相同冲击速度下,随着冲击网直径的增大,结构的刚度增加,其动力响应中的冲击力峰值增大;反之,减小。2)相同冲击速度和冲击物质量条件下,随着冲击网直径的增大,冲击点处的位移峰值降低,降幅在10%左右。3)相同冲击网直径下,随着冲击物质量的增加,冲击力峰值增大;随着冲击高度的增加,冲击力峰值减小。综上所述,冲击速度、冲击网直径、冲击物质量和冲击高度影响十字型网状结构的抗冲击性能。     

岩爆弹射破坏过程的试验研究

 利用自主研发的真三轴岩爆刚性试验机,对粗晶粒花岗岩试件开展应变型岩爆弹射破坏过程试验研究。设计不同的加载与卸载路径,模拟能量集聚驱动型与应力集中驱动型2类岩爆的弹射破坏过程,在借助高速摄像系统对岩石碎块弹射过程进行影像记录与速度测量的基础上,分析岩爆弹射破坏过程的特征与规律。研究结果表明：(1) 岩爆弹射破坏过程可概括为颗粒弹射、劈裂成板、剪切成块、板折弹射4个阶段;(2) 弹射破坏后的岩样母体具有二元破坏形态,即临空面出现V形或台阶状的岩爆坑,而岩身内侧出现贯穿性剪切裂缝;(3) 加载速率对应力集中驱动型岩爆具有重要影响,在0.05～2 MPa/s加载速率范围内,弹射动能随加载速率增大而增大;(4) 峰前集聚的弹性应变能足够大且能量输入速率足够大是岩样发生应力集中驱动型岩爆的基本条件;(5) 无论是能量集聚驱动型岩爆,还是应力集中驱动型岩爆,弹射动能占岩样峰前可释放弹性应变能的比例不足1%。     

落石动量参数对被动柔性防护网的影响研究

被动柔性防护网是公路和铁路沿线防护落石灾害的一种常用装置,为研究落石动量参数对被动柔性防护网的影响,文章以常用的RX-500型被动防护网为原型,通过ANSYS/LS-DYNA有限元软件对具有相同尺寸、相同动能和不同动量的落石冲击被动柔性防护网的受力性能和能量耗能规律进行研究。结果表明:落石动量参数对落石能量耗散时间影响很大,落石动量越大,落石能量耗散的时间越长,落石冲击时间可延长21.34%;落石对被动柔性防护网的受力性能和各构件的耗能占比影响较小。     

隧道施工岩爆的预防与技术措施综述

在高地应力条件下或者隧道洞室开挖中,围岩因为卸载而发生的围岩松脱或剥落、甚至弹射的地质灾害即为岩爆。岩爆的发生主要与隧道围岩的性质、施工地质条件以为隧道围岩应力状态有关。为了避免或减少岩爆造成的损失,需要正确预测岩爆。笔者对岩爆发生的规律、岩爆的分类以及岩爆相关预测方法进行了总结,并从施工组织、释放地应力、严抓初期支护规避岩爆威胁、控制隧道开挖进尺、加强爆破控制等方面论述了隧道施工过程中所采取的岩爆防治技术措施。     

三维有限元分析隧道开挖收敛损失与纵剖面 变形曲线关系研究

采用实验室研发的三维有限元程序,运用隧道收敛-约束法的分析模式,针对岩体弹性参数、初始应力与隧道径向位移等影响因素,探讨有支撑与无支撑情况下的隧道开挖收敛损失与纵剖面变形曲线关系.采用纵剖面变形曲线的研究结果,并与三维有限元数值计算结果相比较,探讨收敛损失的影响.由隧道收敛-约束法理论分析结果与三维有限元数值计算结果可知:(1) 确立隧道开挖收敛损失与纵剖面变形曲线的关系;(2) 隧道纵剖面变形曲线的归一化处理方式,可消除岩体参数、初始应力和隧道收敛的位置等因素影响;(3) 在弹性条件下,隧道开挖面产生的前期位移量约为最终位移量的25%～36%;(4) 由二维纵剖面变形曲线的分布,可计算并获得隧道开挖收敛损失值、了解隧道开挖工作面效应的三维影响,进而能计算分析岩体结构的应力与位移等变化量.     

动态

下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)深部花岗岩样品岩爆过程实验研究;(2)深埋巷道分区破裂化机制;(3)玲珑金矿主运巷塌陷治理区稳定性动态综合监测与评价;(4)深部回采巷道锚网索耦合支护时空作用规律研究;(5)矿震监测定位系统的研究及应用;(6)冲击地压机制的细观实验研究;(7)动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的数值模拟;(8)动力扰动下深部高应力矿柱力学响应研究。     

不同衬砌刚度下山岭双洞隧道地震动力响应分析

为研究不同衬砌刚度下的山岭双洞隧道地震响应情况,采用波动理论结合数值计算的方法,以雅泸高速公路勒不果喇吉隧道为背景,计算并分析不同衬砌刚度下双洞隧道的地震响应。采用波动散射理论分析P波作用下双洞圆形隧道衬砌的动应力系数级数解,波动分析结果表明:双洞圆形隧道衬砌的动应力系数与双洞隧道的间距、衬砌刚度以及P波频率均有重要关系。双洞隧道间距越小,衬砌刚度越大,圆形隧道衬砌动应力系数越大;平面入射P波频率越高,双洞圆形隧道衬砌动应力系数越小。基于FLAC~(3D)分析软件建立了山岭双洞隧道地震响应三维数值分析模型,计算结果表明:刚性衬砌下隧道结构的地震响应明显高于柔性衬砌,说明柔性衬砌可以减弱隧道的地震动力响应,具有一定的减震作用,但柔性衬砌的地震响应位移高于刚性衬砌。数值分析结果与波动理论分析相吻合。     

深部花岗岩试样岩爆过程实验研究

利用自行设计的深部岩爆过程实验系统，对深部高应力条件下的花岗岩岩爆过程进行实验研究。岩爆实验过程可模拟实际工程的开挖条件：对加载至三向不同应力状态下的板状花岗岩试样，快速卸载一个方向的水平应力，保持其他两向应力不变或保持其中一向应力不变增加另外一向应力。实验过程中采集3个方向应力随时间的变化数据，获得花岗岩岩爆全过程应力曲线。根据实验结果，将花岗岩岩爆全过程分为平静期、小颗粒弹射、片状剥离伴随着颗粒混合弹射及全面崩垮4个阶段；将花岗岩岩爆的破坏形式分为颗粒弹射破坏、片状劈裂破坏和块状崩落破坏；分析发生岩爆后花岗岩试样的微观结构破坏特征；根据卸载后发生岩爆的最大主应力与岩石单轴抗压强度的比值对岩爆强度进行分类；根据卸载后至发生岩爆现象的时间，将岩爆分为滞后岩爆、标准岩爆和瞬时岩爆，并对花岗岩岩爆发生机制进行初步探讨。     

冲击岩爆试验系统研发及试验

依据岩爆发生时的力学状态,岩爆可以分为应变岩爆和冲击岩爆两大类型。冲击岩爆是深部岩体受静荷载和冲击动荷载共同作用所致,其试验系统的研发是岩石力学界的难题之一。设计并研发冲击岩爆试验系统,并进行冲击岩爆试验。该试验系统设计16种简谐波,通过其组合叠加,可以实现对开挖爆破、顶板垮落、断层滑动等冲击扰动波的模拟。试验采用加载至三向不同应力状态下的带圆形贯穿孔洞的立方体砂岩试样,在σ1方向施加扰动波,σ2,σ3保持在恒定应力水平的加载方式,通过伺服控制系统,实时采集砂岩试样冲击岩爆过程中的力和位移数据,获得全过程三向应力–应变曲线。通过图像采集系统,实时拍摄砂岩冲击岩爆全过程,获得该类型岩爆过程剥离、弹射等特征现象。并进行类似的静力加载破坏试验,观察其破坏现象与冲击岩爆过程的差异。通过对巷道单元岩体动应力和能量的分析,建立冲击岩爆的动应力和能量判别方法。     

初始应力对应力波传播及块体运动规律影响研究

 借助理论模型和试验测试结果分析初始应力对岩石弹性波速的影响,运用数值模拟手段对比研究爆炸扰动作用下不同初始应力时的应力波形状,包括质点应力、位移和速度,得到初始应力对应力波传播影响的一般规律。建立构造块体在爆炸扰动下的运动模型,通过对模型的计算和分析,研究不同初始应力下单个块体的相对位移。研究结果表明：(1) 在低初始应力下,岩石中的弹性波速随压力增大而迅速增大,增大的梯度在低应力下较高,在高应力下趋于一常数值;(2) 当初始应力增大时,相同距离处的峰值径向应力和峰值位移会降低,而且衰减较快,波形变窄;(3) 块体间的相对位移与初始应力的大小成反比。     

高陡边坡柔性防护措施及工程应用研究

随着高陡边坡被动网、主动网等柔性防护方式的运用,其功能缺陷凸显出来,结合范家坪高边坡多道被动网在落石冲击下被破坏损毁现象,分析其落石运动轨迹及冲击能量,结果显示原被动网设计不合理,提出了张口式帘式网防护网设计,并运用数值模拟方式得出其防护能够满足需求,根据数值模拟分析结果给出了范家坪具体的防护设计方式。     

钻孔卸压防治岩爆实验及破坏特征研究

应变岩爆是在巷道开挖过程中,由于开挖引起围岩应力重分布从而诱发岩爆的现象,对采矿和隧道施工中的人员及设备安全构成重大威胁。利用自主研发的应变岩爆实验系统,开展完整及含不同钻孔数量砂岩试样的应变岩爆实验,运用高速摄影采集岩爆全过程图像,采用声发射、数字散斑等监测手段采集相关数据,以此研究不同钻孔数量条件下砂岩应变岩爆的破坏特征,探讨了在本实验条件下钻孔数量对应变岩爆的影响。结果表明：随着钻孔数量的增加,岩爆剧烈程度降低;声发射累计计数和累计能量值均减少,声发射活动程度降低,表明岩体内微破裂减少;岩爆弹射碎屑的速度及动能下降,岩爆风险等级由强烈岩爆降低,弹射碎屑破碎程度降低;岩爆时刻岩样竖直向和水平最大位移增加,变形能力提高。通过实验证明钻孔卸压措施对岩爆灾害具有良好的防治效果。     

冲击荷载下凯威特型球面网壳的失效模式及其判别方法

应用ANSYS/LS-DYNA建立60m跨度凯威特型球面网壳(扇形三向网格单层球面网壳)与圆柱形冲击物的数值模型并展开分析。依据网壳的动力响应,提出顶点竖向冲击荷载下网壳结构的四种失效模式,但动力响应及失效模式与冲击初始条件间缺乏规律性。对冲击的特点及网壳动力特性的分析则发现:以顶点响应速度(一次冲击结束时刻网壳顶点的速度)为自变量时,网壳最终动力响应呈现很好的规律性,并且可以依据顶点响应速度对网壳的失效模式进行判别。最后鉴于网壳受冲击荷载的数值模型建立困难且计算繁琐,提出获取顶点响应速度的理论计算方法,且理论结果可以替代数值结果进行失效模式的判别。达到了由冲击初始条件经简化的理论计算判别网壳失效模式的目标。其中理论方法的核心是网壳冲击区范围的确定与冲击区折算质量的推导。     

微扰动诱发断裂滑移型岩爆的力学机制与条件

研究在微扰动作用下滑移型岩爆的诱发机制问题,采用弱小扰动诱发初应力条件下岩块间接触面滑移的理论模型和能量变分原理推导得到断裂滑移型岩爆发生的3个必要条件:(1)接触面或围岩的破裂面处于高切向地应力水平的准稳定状态;(2)接触面或断裂面的断裂刚度大于围岩的回弹刚度;(3)岩体运动的地冲击能量因子达到一定阈值,或接触面(断裂面)的相对位移在动力扰动作用下达到临界值。微扰动诱发岩爆释放的能量远远超过外部扰动能量,外部扰动仅起到了"扣板机"的作用,岩爆发生临界累积位移的量值和岩块的突出速度不取决于扰动的幅值,临界位移大小取决于施加剪切荷载的水平,而岩块的突出速度则主要取决于围岩压力做功与界面滑动摩擦力做功的关系,断裂滑移型岩爆震级的准确预测需要进行滑移后岩爆动能的计算。     

高应力硬岩隧道开挖施工技术及其数值分析

蒙华铁路桐木隧道为高应力硬岩隧道段,该隧道为单线单洞隧道,埋深深,施工时易产生变形、岩爆等施工风险。基于上述特点,提出全断面施工工法,提前打应力释放孔或做好超前摩擦锚杆支护,用短进尺掘进,减少爆破频率,喷射混凝土,并辅助其他工法进行超前支护和加固,从而在很大强度上降低岩爆频率和岩爆强度,采用弹塑性有限单元法对隧道施工全过程进行了数值模拟。结果显示:高应力硬岩隧道采用全断面开挖法辅以超前支护法可有效地控制隧道变形和隧道岩爆。施工方案是合理可行的,数值模拟计算结果与现场测试结果基本吻合,可为类似隧道工程提供参考。     

基于能量原理的单层网壳结构抗冲击性能简化分析方法研究

首先,阐述了单层网壳结构在冲击荷载下的能量传递、转换和消耗的过程,并基于能量守恒推导了首次冲击中网壳吸收的能量以及结构动位移简化计算方法。然后,介绍了数值分析方法的算法基础以及求解冲击问题的通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA。最后,研究了网壳结构在不同冲击物质量比与速度作用下的动力响应,总结了动力响应与结构能量之间的关系,并与简化计算方法进行对比。结果表明:所推导的网壳能量吸收与结构动位移计算方法是合理的;冲击过程中网壳吸收的能量以及结构响应与冲击物和网壳之间的质量比密切相关;不同的动力响应模式可以利用结构吸收的能量进行区域划分;在不同的冲击能量作用下,冲击力是半正弦或者三角形脉冲;计算所得的杆件应力-应变曲线与材料的本构关系是相符的。     

高地应力隧道岩爆破坏特征物理模型试验研究

采用岩爆相似材料制作大尺寸物理模型,自主研制隧道开挖装置,进行二维应力隧道岩爆物理模型试验,研究高地应力条件下(侧压力系数λ=2)隧道围岩岩爆等脆性破坏特征。试验结果表明:隧道开挖后,围岩有较明显的压应变波动和突变现象,拱墙处局部出现拉应变;同时,声发射能量表现出剧烈增大现象,在应变、声发射特征这两方面均表现出高应力区隧道岩爆的征兆。高地应力条件下(侧压力系数λ=2),隧道拱顶和拱底压应力集中明显而最早发生破坏,拱墙出现拉应力作用,产生张拉裂缝。围岩脆性破坏从颗粒弹射开始,随后变为碎块剥落和裂缝扩展,其变形破坏特征表现出一定的岩爆特性。