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。     

锚固洞室中不同方向爆炸应力波传播规律及裂纹形成机理研究

基于抗爆模型试验结果,利用数值分析软件研究锚固洞室中不同方向爆炸应力波传播规律及裂纹形成机理。通过分析锚固洞室爆炸压应力时程曲线规律,发现压应力时程曲线特征符合应力波的一般传播作用规律,这说明数值分析的结果比较合理。集中装药爆炸后,应力波以球面向四周扩散传播,随着时间推移,快速衰减。当应力波向上传播到地表时,会在地表附近发生多次“层裂”形成大面积裂纹,爆源从拱顶至侧墙,地表面附近受拉破坏越来越轻,其中直墙侧爆不发生受拉破坏;当应力波向下传播至地下洞室时,由于反射拉伸,会在锚固区及其末端发生“层裂”。随着应力波继续传播,经由上地表反射的拉伸波会与由洞室表面反射的拉伸波发生相遇,形成加载波,一旦加载波的强度大于围岩的动态抗拉强度,会在相应的位置形成裂纹。     

近爆下泡沫混凝土复合结构在地下洞室的抗爆特性数值研究

为研究近爆作用下带泡沫混凝土复合结构的地下洞室的抗爆性能,基于LS-DYNA非线性有限元软件,建立了TNT炸药-围岩-锚杆-衬砌结构-空气的爆炸效应全耦合模型。应用ALE多物质流固耦合算法对比分析了普通衬砌结构洞室和带泡沫混凝土夹层的衬砌结构洞室的重要控制测点的应力、空气层压力和位移。测点峰值应力与TM5-855-1的经验公式吻合良好,证明了数值模拟的可靠性。数值研究结果表明,相比普通混凝土夹层,泡沫混凝土夹层能够有效地削弱爆炸冲击波的传播,大幅降低洞室内部空气的压力峰值,降低超压对人体器官的损伤,提高洞室内部人员的生存几率;采用泡沫混凝土夹层的衬砌需加强拱顶区域的刚度以降低顶底板相对位移差。研究结果为地下洞室抗爆设计提供了参考依据。     

近爆下泡沫混凝土复合结构在地下洞室的抗爆特性数值研究

为研究近爆作用下带泡沫混凝土复合结构的地下洞室的抗爆性能,基于LS-DYNA非线性有限元软件,建立了TNT炸药-围岩-锚杆-衬砌结构-空气的爆炸效应全耦合模型。应用ALE多物质流固耦合算法对比分析了普通衬砌结构洞室和带泡沫混凝土夹层的衬砌结构洞室的重要控制测点的应力、空气层压力和位移。测点峰值应力与TM5-855-1的经验公式吻合良好,证明了数值模拟的可靠性。数值研究结果表明,相比普通混凝土夹层,泡沫混凝土夹层能够有效地削弱爆炸冲击波的传播,大幅降低洞室内部空气的压力峰值,降低超压对人体器官的损伤,提高洞室内部人员的生存几率;采用泡沫混凝土夹层的衬砌需加强拱顶区域的刚度以降低顶底板相对位移差。研究结果为地下洞室抗爆设计提供了参考依据。     

锚杆支护方式对深埋洞室隔冲击效果影响的数值模拟研究

与浅埋洞室相比,随着埋深增加而产生的高地应力现象使深埋洞室安全性评价更加复杂。本研究在考虑地应力平衡的前提下,采用有限元与无限元相结合的方法,对冲击荷载作用下深埋洞室的锚杆支护方式进行了设计与优化。计算结果表明：在平衡初始地应力之后,Mises应力会随着锚杆长度、疏密程度的增加略有增长。当锚杆长度和疏密程度增至某一特定值时,洞室洞壁的位移和塑性应变将达到最小值,洞室围岩将达到相对安全状态。锚杆间隔布置下,长锚杆数量的增加将提高洞室围岩的安全性。当对洞室拱脚进行重点支护时,整个洞壁的位移均有所减小。     

小间距隧道爆破开挖动力效应数值模拟研究

从爆破施工的特点入手，对小间距隧道在采用典型双侧导坑法时的爆破施工动力效应进行了数值模拟研究，给出了爆破施工在已有洞室周边产生的动力效应的一般规律，指出在爆破（后开挖洞室）开挖影响区以内，合理确定已有洞室二次衬砌施作时间的重要性，并给出了爆破施工对已有洞室稳定性影响较大的关键开挖位置。研究表明，爆破动载荷对小间距隧道围岩稳定性的影响主要表现为爆炸应力波造成围岩临空面的反射拉伸破坏，破坏较严重的是已有洞室的迎爆墙、拱脚、拱顶等部位。所得结论对小间距隧道爆破施工有一定的参考价值。     

边坡下伏地下圆形洞室的弹性应力解析

根据洞室与边坡的相对位置,将其分为深埋地下洞室与浅埋地下洞室,并分别建立了计算模型。将浅埋圆形洞室视为分布荷载作用下半无限体表面附近的孔洞的应力分析问题,采取复变函数的保角映射得到了浅埋洞室的应力解析解。将深埋洞室视为一个双向受压无限板孔应力集中问题,得到了边坡下伏深埋圆形洞室的应力解析解。以某填筑边坡下地下圆形洞室为例,计算得到了浅埋圆形洞室周边的径向应力与环向应力分布,计算结果表明洞室圆心水平线上的环向压应力随着与洞周距离的增加逐渐减小,但径向压应力却是首先增加,然后才逐步减小。洞顶圆周出现环向拉应力,随着越来越接近地表,环向应力逐步转变为压应力并且越来越大,而径向应力逐渐变大。洞周环向拉应力在洞顶与洞底数值最大,洞室左右两端洞周环向压应力数值最大;洞周径向应力在洞顶、洞底数值较小,左右两端洞周应力最大。     

夯筑遗址加固中楠竹锚杆应力分布变化规律研究

针对西北地区夯筑土遗址楠竹锚固体系,本文在对锚固体中杆体、土体和注浆体的材料性能试验基础上,研究荷载、锚固长度、锚杆直径、孔径、注浆体配比、碳纤维加肋和倾角等因素对楠竹锚杆锚固性能及应力分布规律的影响,同时对荷载、锚固长度和锚杆直径变化状况下的应力分布特征进行数值模拟分析。结果表明:锚杆受力过程中,应力沿杆体分布不均匀;随着锚固长度的增加,应力分布趋于均匀化,而应力峰值沿锚固深度向底端扩展的速度较慢;随着杆体直径和孔径的增加,锚固体应力趋于均匀化,使锚固系统更趋合理化;注浆体强度对应力分布的影响反之;碳纤维加肋可有效提高锚杆的抗劈裂性及锚固力,但会使应力分布更集中化;锚杆布置角度以10°为宜。采用接触单元,模拟杆体与注浆体、注浆体与土体界面间的黏结、咬合效应,不同工况下应力的分布规律、极值大小等参数均与原位试验结果吻合度较好,后期计算分析与研究可予以借鉴。     

锚固体红外温度场与应力场特性研究

为了研究锚固体力-热耦合机制,分别对不同类型的锚固体加载变形破坏过程进行试验研究。应用红外热像技术,获得红外温度场,同时对锚固体进行应力场数值分析。结果显示:中心位置布置单根锚杆的锚固体;应力峰值前,随着荷载的增加,红外温度场呈现整体均匀性升温变化;应力峰值后,在锚杆周围形成一个由多条不同等温线组成的区域,其形状是以锚杆为中心的近似圆形区域,由内向外,温度逐步降低;有锚杆一侧围岩红外温度高于无锚杆一侧,锚杆周围形成一个近似"喇叭"状的等温线图,高温等温线对应高应力区,低温等温线对应低应力区,红外温度场与应力场之间存在空间分布对应关系。     

单裂隙岩体水力裂缝扩展机理的数值模拟

应用真实破裂过程分析系统软件RFPA2D2.0-Flow,采用细观方法表达岩石材料非均匀特性,建立了渗流-应力-损伤耦合模型;模拟分析了裂隙岩体在具有不同角度、不同长度、天然裂隙中点与井孔之间不同间距的单一天然裂隙条件下的水压致裂过程;通过对模型内拉伸裂缝萌生及扩展的描述,得出了天然裂隙角度、长度、天然裂隙中点与井孔的间距对裂隙岩体内水力裂纹的扩展及与天然裂隙相交模式的影响趋势。模拟分析结果表明:天然裂隙角度对模型稳定性影响较小,但对裂纹扩展模式的影响较大;天然裂隙与井孔间距的减小使模型的失稳水压值随着裂隙角度的增加而逐渐增大,但最大值与间距未减小时基本相同;随着天然裂隙长度的增加,模型的承载能力逐渐减弱,且减弱的幅度逐渐增大。     

基于随机骨料模型混凝土动态性能数值模拟

将混凝土看作水泥砂浆与粗骨料组成的非均质复合材料。编写二级配圆形骨料混凝土随机投放程序对混凝土动态破坏过程进行数值模拟,分析粗骨料颗粒中间粒径和最大粒径对二级配混凝土动态特性的影响。数值模拟结果表明:随着粗骨料颗粒中间粒径的增加,混凝土在动荷载作用下峰值应力先增大,然后逐渐减小,粗骨料颗粒中间粒径为15mm时,峰值应力达到最大;随着二级配混凝土粗骨料颗粒粒径最大值的增加,混凝土在动荷载下峰值应力逐渐减小。     

锚固体变形破坏过程中红外温度场与应力场的分析与比较

应用红外热像技术分别对不同类型的锚固体加载变形破坏过程进行了试验研究。试验结果表明,对于中心位置布置单根锚杆的锚固体:应力峰值前,随着荷载的增加,红外温度场呈现整体均匀性升温变化;应力峰值以后,在锚杆周围形成一个由多条不同等温线组成的区域,其形状是以锚杆为中心的近似圆形区域,由内向外温度逐步降低。有锚杆一侧围岩红外温度高于无锚杆一侧,锚杆周围形成一个近似"喇叭"状的等温线图;高温等温线对应高应力区,低温等温线对应低应力区;红外温度场与应力场的空间分布存在对应关系。     

考虑宏细观损伤的隧道裂缝区围岩弹塑性分析

针对以往隧道含裂缝围岩弹塑性分析仅考虑细观损伤的不足,本文在统一强度理论下考虑宏细观损伤因子、水的渗透压力以及中间主应力,推导出含裂缝区围岩的应力、洞室位移量的计算公式和考虑损伤的围岩抗力系数表达式;并应用于现有隧道分析计算。其计算结果表明:①不考虑宏观损伤会使计算的细观裂缝区半径偏小;②宏观裂缝区半径不变,细观裂缝区半径随着支护抗力变大而变小;③随着细观裂缝区半径增大,洞室位移量随着弹性模量增大而减小,且随着内聚力增大而减小,泊松比越大,其增长曲线斜率越大,细观裂缝区半径较小时,洞室位移量随着泊松比增大而减小,细观裂缝区半径较大时,洞室位移量随着泊松比的增大而增大。研究成果可以为隧道工程支护力的确定以及支护结构的选取提供理论参考。     

边坡预应力锚杆蠕变的数值分析

运用非线性蠕变分析理论模型,采用MSC.MARC软件重点研究了锚杆的应力指数、蠕变系数和几何参数的变化对于锚杆应力松弛的影响.通过对预应力锚杆支护的边坡进行数值分析,探讨了锚杆的蠕变规律以及锚杆预应力松弛现象.锚杆的参数取不同数值时,比较数值模拟结果发现:锚杆的轴力和剪力主要分布在锚固段的前端;随着锚杆应力指数及蠕变系数的增加,蠕变应变增大,应力松弛加快.     

基于ANN的碳纤维楠竹锚杆锚固力预测研究

为减小对文物本体的破坏,本文基于新疆某土遗址加固保护中碳纤维楠竹锚杆锚固力原位测试试验,考虑锚杆直径、长度、倾斜角以及灌浆体强度、孔径、碳纤维缠绕间距等锚固力影响因素,利用人工神经网络(artificial neural network, ANN) 的误差反向传播(back propagation, BP) 算法及MATLAB 人工神经网络工具箱,建立了锚固力预测的智能模型;并以原位测试所得的数据为学习样本和检验样本,验证了该方法的适用性和可行性. 将训练好的网络模型进行扩展计算,基于L₂₅(5⁶) 正交表试验理论分析了锚固力对各影响因素的敏感性,为同类加固工程的实际应用提供参考依据.     

某水电站地下洞室随机块体稳定性评价及系统锚固设计

地下洞室中的随机块体是指由岩体中的随机节理或者基体裂隙构成的不确定性块体 ,在已建的地下厂房中 ,这类块体大量存在 ,这类块体的稳定性会对洞室的施工安全造成较大的影响。在设计中这类块体常常是通过系统锚杆进行加固 ,但由于块体位置随机性和几何特征的不确定性 ,使得系统锚杆的长度和间距很难确定。本文以某水电站的地下洞室为研究对象 ,在深入了解地质条件、岩体结构特点的基础上 ,找出可能构成随机节理的分布规律 ,再分析节理与节理、节理和Ⅰ、Ⅱ类确定性结构面可能的组合 ,得到可能的随机块体 ,然后采用块体理论评价其稳定性 ,得到随机块体的几何特征和稳定状况 ,总结出最优的锚杆长度 ,为地下洞室的系统锚杆长度的确定提供了理论依据     

围岩应力重分布对隧洞爆生裂隙区比例半径的影响

基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机理的研究,采用莫尔库伦准则及最大拉应力准则,研究了围岩应力重分布对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明,围岩应力重分布对爆生裂隙区比例半径有重要影响,隧洞围岩应力重分布将减小隧洞径向爆生裂隙区比例半径,压剪破坏模式下,爆生裂隙区比例半径可降低20％以上,拉伸破坏模式下可降低10％以上。爆炸应力波作用下,岩体更容易沿结构弱面发生压剪破坏。利用围岩的应力重分布作用,可以降低爆破对保留岩体的损伤作用。     

陡倾滑面滑坡锯齿形抗滑桩力学性能研究

陡倾滑面滑坡推力竖向分力显著,基于滑坡推力水平假定与普通抗滑桩相互作用不充分这一问题,建立锯齿形抗滑桩结构。依据梯形分布滑坡推力的假设,推导了受荷段内力计算公式,采用Winkler弹性地基理论推导了锚固段内力计算公式,并开展锯齿形抗滑桩的力学性能研究。分析表明,(1)随着滑面倾角的增加,锯齿形抗滑桩的受荷段、锚固段的弯矩、剪力以及侧应力均减小,内力减小幅度随之增大;(2)滑面倾角在20°～40°时,随着滑面倾角的增加,锚固段的理论最小长度在逐渐增加,40°时锚固段的长度为4.2 m达到最大值,且该长度仅占整个桩长35%,远小于按现行规范取得的锚固段长度最大值(1/2总桩长),桩侧摩阻力就可以完全满足竖向力学平衡;(3)将锯齿形抗滑桩与普通抗滑桩内力对比,受荷段和锚固段的弯矩减小34%、剪力减小36%及桩侧应力减小幅度大于30%,力学性能良好。     

基于地应力场加卸载的地下洞室稳定模型试验研究

加卸载响应比理论是研究非线性系统稳定的一种重要方法。本文分析了该理论的本质含义,研究了该理论在洞室稳定分析中存在的问题,提出了基于应力边界值即地应力场增减实现加卸载的方法。文中以某矿山巷道稳定研究作为工程背景,建立了相似材料平面应变模型。通过对顶部边界应力进行逐级加卸载,主要研究了拱顶竖向压力、拱顶沉降和声发射的响应特征。结果表明,当应力不太大时,拱顶竖向压力和拱顶沉降的加卸载响应比值接近1;当围岩接近破坏时,比值出现突然的增加,并伴随较大的波动。声发射能量和事件数虽未出现类似特征,但总体来说,随着荷载的增加,声发射呈现增加的趋势。     

水下爆炸对重力坝的毁伤效应及最优爆距

为研究不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤效应,并探讨是否存在“最优爆距”,基于离心模型试验建立了炸药-库水-空气-重力坝结构的全耦合数值模型,并设计了60组数值计算工况。不同工况水深均为600 mm,炸药量为2.2 g,重力坝模型几何比尺为1/80,包含5组爆深（50～250 mm）,每组爆深对应12组爆距,爆距范围为10～200 mm,相应比例爆距范围为0.077～1.54 m/kg1/3。对比分析了不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤程度,并定量比较了重力坝平均损伤、单元删除率、应力、应变等参数。结果表明,对于重力坝整体结构破坏,如重力坝整体弯曲导致的拉伸破坏,水下爆炸对重力坝的毁伤效应存在“最优爆距”,即随着爆距增加重力坝毁伤程度先增加后降低;与之类似,随着爆距的增加,重力坝上游坝面损伤区域的平均损伤、重力坝单元删除率、坝踵最大拉应力平均值和坝踵最大拉应变平均值先增加后降低且在40 mm爆距附近达到最大值。保持水深、炸药量和重力坝几何模型相同,5组不同爆深近水面水下爆炸对重力坝毁伤效应的“最优爆距”均在40 mm附近,表明近水面水下爆炸时爆深对“最优爆距”不存在显著影响。