动载强度和锚固段长度对锚固洞室动态响应的影响研究

为了给动载下锚杆支护设计提供参考,基于模型试验,利用数值分析方法研究了动载强度和锚固段长度对锚固洞室的动态响应影响。结果表明:压应力、位移、振动速度、振动加速度时程曲线的振动规律与模型试验的结果比较相似;在相同动载作用下,随着锚固段长度的增加,自由锚加固洞室的拱顶位移峰越来越大,锚固洞室的振动速度和振动加速度峰值也随锚固段长度的增加越来越大;随着动载强度的增强,除了动载比较小外,全长加固洞室拱顶的位移峰值均比自由锚加固洞室小;正、负向拱顶振动速度峰值都增大,拱顶负向振动速度峰值增加的速率比正向振动速度峰值增加的速率快;全锚加固洞室都是负向振动加速度峰值大于正向振动加速度峰值,自由锚加固洞室拱顶振动加速度从负向小于正向到负向大于正向,负向、正向振动加速度峰值比值逐渐增大。     

爆炸作用下土体隧道衬砌结构的动力响应

为了找出爆炸动力作用下的隧道衬砌结构薄弱部位和力学规律,建立了土体隧道动力分析整体有限元模型;利用显式动力有限元程序Ansys/Ls-dyna进行了数值模拟,探讨了土体隧道衬砌结构在爆炸作用下不同部位的时间历程曲线;分析了爆炸作用下土体隧道衬砌结构的动力响应。结果显示:隧道衬砌结构肩部在x、y方向的位移都较大;隧道衬砌结构顶部在y方向的位移较大;隧道衬砌结构顶部、肩部的加速度峰值最大并且加速度曲线均出现了两次或多次峰值。这反映了爆炸冲击波有比较强烈的多次反射;各部位压力时程曲线波动较大,按照肩部、顶部、胯部、底部、腰部的顺序先后到达峰值;顶部和肩部σx峰值最大,顶部和底部σy峰值最大,顶部、肩部、底部τmax峰值最大。顶部和肩部出现最大拉应力说明爆炸对拱顶拱肩损伤较大,隧道衬砌结构将会最先在这两处发生破坏。     

在动载作用下钻孔卸压和预应力注浆锚索底臌治理巷道的动态响应研究

利用数值分析方法研究了常村矿井巷在动载作用下原巷道、钻孔卸压、预应力注浆锚索底臌治理巷道的动态响应。研究结果表明:在锚索加固区范围内预应力注浆锚索底臌治理巷道相对于原巷道和卸压孔底臌治理巷道的应力峰值均有所减小;原巷道和卸压孔底臌治理巷道在动载作用下引起的位移增量比较接近,而预应力注浆锚索底臌治理巷道位移增量明显要小于原巷道和卸压孔底膨治理巷道位移增量;每种支护形式的底板是振动最剧烈的地方,注浆锚索底臌治理巷道拱底振动速度和振动加速度峰值最大,其次是卸压孔底臌治理巷道,最小是原巷道。研究结果可为动载作用下矿井巷底臌的治理技术设计提供参考。     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法.方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时,经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题.方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合,导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系ζ平面内的解析式,然后通过保角变换求得直角坐标系Z平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形.将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中,得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解,并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性.由结果可知:围岩冻胀力对衬砌影响明显,在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大;在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力;由于衬砌几何形状的原因,造成了衬砌冻胀变形的不均匀,进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际,较以往研究更能反映实际工况.研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法. 方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时, 经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题. 方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合, 导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系$\zeta $平面内的解析式, 然后通过保角变换求得直角坐标系$Z$平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形. 将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中, 得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解, 并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性. 由结果可知: 围岩冻胀力对衬砌影响明显, 在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大; 在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力; 由于衬砌几何形状的原因, 造成了衬砌冻胀变形的不均匀, 进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际, 较以往研究更能反映实际工况. 研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.      

大埋深引水隧洞穿越断裂带围岩变形规律研究

断裂带是深埋隧洞开挖过程中常见的不良地质现象。以滇中引水工程香炉山隧洞为工程背景,通过建立隧洞穿越断裂带的开挖数值模型,研究了隧洞拱顶、拱底、拱腰两侧的围岩变形规律,进一步分析了隧洞在穿越不同断裂带宽度、倾角、走向以及不同隧洞埋深工况下对围岩变形的影响。研究表明,由于断裂带区域的存在,围岩的垂直位移和水平位移发生了明显的改变,越靠近断裂带核心区域,隧洞拱顶、拱底和拱腰两侧围岩的变形越大,在断裂带中心区域附近围岩的变形达到最大值;围岩的垂直位移和水平位移随着断裂带宽度和隧洞埋深的增大而增大,随着断裂带倾角的增大而减小;断裂带走向的变化对围岩的垂直位移和水平位移影响较小。对于拱顶沉降,其综合因素影响程度从小到大依次为断裂带走向、断裂带倾角、断裂带宽度、隧洞埋深。     

行车荷载对浅埋黄土隧道稳定性的影响研究

地面行车荷载是影响浅埋隧道开挖稳定性的重要因素之一。本文以西安地铁四号线飞天路站-航天大道站区间浅埋暗挖黄土隧道为工程背景,应用ANSYS软件研究了隧道开挖引起的地表沉降、初期支护拱顶位移、隧道洞口处最大应力,并结合现场监控量测数据得到了隧道洞口断面稳定性最差的结论。研究中通过对行车荷载的瞬态分析,模拟了行车荷载、行驶速度对隧道洞口初期支护的振动响应,探讨了隧道埋深对支护结构加速度时程响应的影响。结果表明:随着隧道埋深的增大,初期支护结构的响应加速度减小;随着行车荷载及行驶速度的增大,隧道初期支护的振动响应越明显。     

邻近隧道掘进爆破对既有隧道的影响

结合在建的贵昆线六盘水至沾益段增建Ⅱ线扒挪块隧道开挖工程,采用动力有限元程序建立了3 维模型,对贵昆线狮子口隧道混凝土衬砌的质点振动速度以及应力分布情况进行了计算。计算结果表明,在 整个考察范围内,垂直方向振速峰值比其他2个方向上的振速峰值大,但在拱顶以及底板单元的主要拉伸应 力为水平方向,说明垂直振速并不能完全代表围岩的受力状况。在实际工程中,不仅要控制爆破振动速度,而 且对围岩的受力状况也要进行分析。计算最大振速为4.94cm/s,小于工程要求的5.00cm/s;拱顶最大拉伸 应力为0.54MPa,既有隧道混凝土衬砌没有受到破坏。     

浅埋偏压小净距隧道大型振动台实验研究

浅埋偏压小净距隧道具有与其它形式隧道不同的受力特点,其地震响应特性也必然不同于其它隧道。基于相似理论设计并完成了浅埋偏压小净距隧道大型振动台模型实验,研究了小净距隧道分别在X(水平)向、Z(竖直)向、XZ双向(水平竖直同时输入)多种工况汶川地震波作用下隧道衬砌加速度和动应变响应规律。实验结果表明:(1)衬砌加速度受地震波的入射方向影响较大,且Z向的影响大于X向,XZ双向的影响大于单向,左洞隧道的加速度响应大于右洞隧道;(2)衬砌应变受地震烈度的影响较大,隧道衬砌在地震作用下承受拉压循环荷载,以受拉为主,右洞隧道衬砌的动应变响应大于左洞隧道;(3)综合衬砌加速度与动应变的响应分析,左洞隧道的左半部分和右洞隧道的拱脚是隧道衬砌在地震作用下容易发生损坏的部位,在进行设计配筋时应特别注意。对于浅埋偏压小净距隧道衬砌进行抗震设计计算时,应考虑Z向地震的影响。研究成果可为浅埋偏压小净距隧道工程的抗震设计提供参考。     

地下坑道对其临界震塌爆距处钻地武器爆炸载荷的动力响应

利用非线性显式动力有限元程序,采用多物质流固耦合计算方法,就GBU-28钻地弹在地下坑道临界震塌爆距处爆炸时,对地下直墙拱坑道的动力响应进行数值模拟。根据围岩动力稳定性和混凝土动态强度判据,结合模拟结果,分析衬砌结构与围岩的相互作用。钻地弹在直墙圆拱断面的坑道临界震塌爆距处爆炸时:围岩处于临界破坏状态,但混凝土衬砌结构处于稳定状态;拱顶的应力峰值明显,且柱状装药情况下,爆炸近区的应力较集团装药情况下的大;拱肩位置出现应力集中;围岩与衬砌结构特征位置处的相互作用载荷与对应质点的振动速度相互耦合,基本成对应的关系。     

应力释放率对超大断面小净距浅埋隧道的开挖影响研究

依托某高速公路隧道工程,基于空间反向荷载法和CRD施工工法,分析了不同应力释放率下浅埋隧道围岩变形及地表沉降规律。得出以下结论:(1)随着应力释放率的增大,浅埋隧道洞周竖向位移及地表沉降明显增大,围岩塑性区范围也明显增大;(2)在小净距浅埋隧道变形计算中,应力释放率越小,左、右幅隧道开挖引起地表相对干扰越大。当应力释放率取50%时,左洞隧道开挖引起的右洞地表隆起值大于其自身开挖引起的位移值,右洞上部地表隆起,最终导致隧道上方公路可能出现拉裂现象。     

弱围压与垂直冲击强扰动下块系岩体超低摩擦效应试验研究

随开采深度增加,深部岩体结构趋于破碎,临近工作面待开采岩体受弱围压作用,遇冲击载荷强扰动时,易诱发超低摩擦型冲击地压。采用自主研制的弱围压块系岩体超低摩擦模拟试验装置,以5个上下叠加花岗岩块体模拟深部临近工作面破碎岩体,通过螺栓加载方式对块系岩体施加弱围压作用、垂直方向施加冲击载荷作用模拟强扰动。以垂直加速度差值变化作为超低摩擦效应强度特征参数,分析得到了冲击载荷强度、围压对块系岩体超低摩擦效应影响规律。研究结果表明:垂直冲击载荷作用下,块系岩体振动分为受迫振动和自由振动两个阶段,随冲击载荷增大,块体垂直加速度差值峰值增大,垂直加速度差值衰减时间延长,此时超低摩擦效应强度和持续时间均显著增加;围压与冲击载荷共同作用下,存在围压临界值使得超低摩擦效应强度达到最大;随围压增加,超低摩擦效应最大强度发生时刻提前,当试验围压达到最大值时,超低摩擦效应最大强度发生时刻趋于一致。     

支护条件下软岩隧道小型拱形塌腔围岩变形分析

以小型拱形塌方为研究对象,考虑支护条件,对自重应力场作用下软岩隧道小型拱形塌方腔体周边围岩及支护结构的变形受力进行了深入研究。结果表明:塌方腔体围岩水平位移增加值不均匀,拱顶处接近于0,垂直位移增加值相对均匀,两者最大值均位于塌腔与隧道断面交界点;距洞壁越近,水平位移和垂直位移越大;围岩应力释放程度不同,不同测线水平应力变化规律差异较大,垂直应力随距洞壁距离增加而不断增加,最终趋于稳定;塌方后支护结构的局部轴力变大,剪应力也较正常情况增加,表明支护结构受力明显增加,如处治不及时则可能发生二次塌方。提出应用锚杆进行塌方处治的方案,得出锚杆发挥了良好的加固围岩作用,围岩变形得到了有效控制。     

椭圆形桩井护壁爆破振动安全判据

钻爆法作为桩基开挖的主要破岩手段,所产生的爆破振动引起桩井护壁结构发生动态响应,进而影响桩井结构的稳定性。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA3D,以峰值质点振动速度和有效拉应力作为指标,模拟了椭圆形桩井护壁结构对爆破振动的动态响应。计算结果表明:不同掘井深度的椭圆形桩井护壁对不同段药量爆破振动的动态响应呈相似规律,最大质点峰值振速及峰值拉应力分布一致,均位于护壁井口端的弧形壁部分,响应强度随段药量的减小而减小;护壁结构的峰值拉应力与峰值振速呈线性关系,基于抗拉强度准则,确定了该工程条件下护壁的安全振动速度阈值为8 cm/s,现场测试验证了预设判据的合理性。     

偶应力理论下拉力型锚固体的受力特性

锚固体的受力特征及其影响因素是锚固体设计的重要依据,直接影响锚固效果。传统的经典弹性理论没有考虑应变梯度的影响。偶应力理论引进弯曲曲率,考虑了弯曲效应对介质变形特性的影响。基于偶应力理论,建立了平面应变问题的有限元计算模型,研究锚固体锚固段界面上的剪应力分布、锚固体轴力分布、偶应力的尺度效应以及弹性模量和围压对锚固力的影响,并将偶应力理论的计算结果和经典弹性理论的计算结果进行了比较。结果表明,在偶应力理论下,锚固体锚固段界面的剪应力有所减小,特别是峰值处的剪应力减小明显;岩土的弹性模量越大,锚固界面局部剪应力越大;锚固力随着围压的增大而增大,偶应力尺度效应明显。     

P波作用下衬砌混凝土的爆破安全振动速度研究

隧洞爆破开挖诱发的爆破地震会对邻近的衬砌混凝土产生不利影响,利用应力波(P波)在混凝土与基岩结合面处的透、反射规律研究结合面处的应力状态,并通过结合面的抗拉强度分析,提出了一种确定衬砌混凝土安全振动速度的理论计算方法。计算结果表明,新浇筑衬砌混凝土极限振动速度随着基岩弹模的增大而降低,而爆破地震波频率的影响非常有限。我国现行采用的新浇筑大体积混凝土基础面上的爆破安全振动速度有一定的安全储备。     

冲击载荷下Al_2O_3陶瓷材料的动态力学行为和响应

采用分离式Hopkinson压杆实验装置和ABQAUS软件,对氧化铝陶瓷材料进行冲击压缩实验和有限元数值模拟;分析了此类材料中的应力-应变关系、应力波的传播特性和冲击动态响应。结果表明:氧化铝陶瓷的极限强度和应力波波速均随着应变率的增加而明显增加,应变率效应明显;氧化铝陶瓷材料属于递减硬化材料,随着应变的增大,应力波的波速降低,动态切线模量逐渐减小;当应变率增加50%时,此类材料的应力、应变、速度、加速度等参量的冲击动态响应分别增加约68.67%、77.42%、22.84%、25.75%。     

爆炸荷载作用下饱和半空间中衬砌隧道弹性动力响应IBIEM模拟

基于Biot两相介质理论,采用一种高精度间接边界积分方程法（IBIEM）研究了饱和半空间中浅埋衬砌隧道在内部爆炸荷载作用下的瞬态弹性动力反应。通过典型算例,给出了爆炸荷载作用下隧道附近地表位移、衬砌动应力、围岩径向位移和衬砌表面孔隙水压的时程响应,并对比分析了饱和半空间和全空间中隧道动力响应的区别。研究表明：覆土层厚度对浅埋隧道-围岩整体动力响应特征具有明显影响;衬砌表面透水状态对爆炸荷载的时程响应的影响不显著;随半空间饱和介质孔隙率增加,围岩受隧道内部爆炸影响程度降低,衬砌承担的爆炸作用增大;当和直达波、衬砌内部反射波的峰值叠加作用时,半空间表面反射波对衬砌隧道拱顶附近响应影响显著,使得衬砌动应力幅值、径向位移相比深埋情况大幅度增加。     

粗骨料取代下的高性能再生混凝土率敏性研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验方法对粗骨料取代率为0%、30%、50%和100%的再生混凝土进行冲击试验,研究了应力-应变关系曲线、动态抗压强度、动态弹性模量以及破坏形态受应变率影响的变化规律。试验表明,应力-应变关系曲线开始段呈线性关系,随应变率的增大,线性段斜率增大,持续范围扩大,峰值应力变大;峰值应力具有率敏性,随应变率增大,峰值应力不断增加,取代率对峰值应力的影响差别不明显;动态弹性模量也具有率敏性,呈正相关关系,取代率不同,其率敏性程度有所差异;随着应变率增大,试件破坏程度随之加剧,从完整无裂缝到瞬间崩裂成碎块。     

定向断裂双孔爆破裂纹扩展的动态行为

利用爆炸加载动态焦散线测试系统,研究了双炮孔切槽方式下、同时起爆、两炮孔间贯穿裂纹和炮 孔外侧裂纹扩展的动态行为。实验结果表明:贯穿裂纹尖端并未直接相遇,而是一上一下,相遇后继续扩展, 并向异方已有的裂纹方向移近。裂纹扩展速度和加速度均呈现波浪起伏式的涨落变化。同一条裂纹扩展的 速度和加速度的峰值交替出现,加速度先达到峰值,速度再达到峰值。动态应力强度因子KⅠ 由最大值迅速 减小,然后经过反复振荡后,又逐渐增大,并达到第2个峰值,之后开始减小。裂纹扩展的过程中,KⅡ 基本都 小于KⅠ 。贯穿裂纹尖端的动态应力强度因子大于外侧裂纹的。动态能量释放率由最大值迅速减小,振荡变 化后第2次达到峰值,又逐渐减小。