框架型棚洞受落石冲击时的不同垫层缓冲效果研究

依托成兰线洞口落石防护研究项目,推导了落石冲击试验研究相似准则,并研制了响应的冲击设备,开展了室内落石冲击模型试验研究。通过设置不同的冲击高度、垫层材料及垫层厚度,研究了落石冲击的峰值冲击力规律,结果表明,落石峰值冲击力随着高度增加近似线性增加,采用普通土垫层时,其厚度不应小于14cm,否则缓冲效果不明显;EPS颗粒轻质土的缓冲效果相对于普通土垫层在较小冲击高度下较差,而在较大冲击高度下,EPS颗粒轻质土缓冲效果明显优于普通土。研究结果可供框架型棚洞的设计提供参考。     

钢桥面复合铺装结构的大比例模型试验

在钢桥面板与沥青铺装层之间设置轻质混凝土层,组成了一种新型钢桥面复合铺装体系。为研究这种新型铺装体系的力学特性,制备了大比例模型试件,实测了不同车位下钢桥面及铺装结构的力学响应。结果表明：钢桥面板最大横向拉应力为90MPa,而设置加劲肋后最大拉应力降至为43MPa,即设置加劲肋有利于改善钢桥面板的受力。浇筑轻质混凝土铺装层后,钢桥面板顶板和加劲肋底板的应力峰值、位移都降低,最大应力降幅达48%,最大位移降幅达18%,而且钢桥面板中的应力分布也更加均匀。作为铺装结构,轻质混凝土铺装层也与桥面板共同参与结构受力,使得桥面铺装体系的结构刚度得到提高。     

锰球制备条件对氮化反应的影响

利用自制的密闭氮化系统研究不同制备条件的锰球的氮化反应.考察锰粉粒度、成球压力和黏结剂添加量对氮化反应的影响,并测量锰球氮化过程中实时增重和温度曲线.实验结果表明:锰粉粒度由16 ～40目变成60 ～ 80目时,球心温度到达峰值的时间由164 s缩短为101s,球心最大温升由147℃增至233℃,氮化1h的转化率由90.81％增至93.64％;成球压力由266 MPa增至443 MPa,球心峰值温度将提前89 s到达,球心最大温升将提高22℃,氮化1h的转化率由91.59％增至94.92％;黏结剂添加量由1 g增至3 g,氮化1h的转化率由92.90％降至89.80％;正态对数分布的概率密度函数可用来近似拟合转化速率与时间的关系.     

遮弹层厚度对砂土中地冲击荷载的影响

土中自由场地冲击荷载是地下防护结构设计的基础。分别建立炸药在砂土和遮弹层中爆炸的精细化数值模型，对比分析所得地冲击荷载的计算结果与相关试验数据。在遮弹层爆炸模型中，改变遮弹层厚度，研究遮弹层比例厚度对地冲击荷载衰减及分布规律的影响。结果表明，两个模型的数值计算与试验数值吻合较好，验证了数值计算方法的可靠性。遮弹层比例厚度不改变爆心正下方地冲击应力峰值衰减系数，但对应力峰值大小有影响；遮弹层比例厚度越大，爆心正下方土中相同比例深度处的应力峰值越大。地冲击荷载水平分布也受遮弹层的影响，遮弹层比例厚度越大，距遮弹层底面比例距离大于0.15 m/kg1/3的平面上归一化竖向应力水平分布曲线越陡，进而得出考虑遮弹层厚度影响的地冲击荷载计算公式。     

复合地基中垫层作用机理

以土力学和弹性理论为基础推导出了刚性、半刚性桩复合地基的竖向变形协调方程,从理论上建立了垫层厚度及压缩模量对刚性、半刚性桩复合地基性质和形状的影响的数学表达式.在此基础上,得出了不同的垫层厚度及垫层模量对桩土应力比、桩身最大应力位置、桩身最大应力、桩土荷载传递的影响.研究结果表明增大垫层厚度及降低垫层模量都能缓解桩顶应力集中程度,但等沉面位置下降,桩端应力增大,因此,靠过多地提高垫层厚度和降低垫层模量来获得较低的桩土应力比不可取;垫层的最佳厚度为0.2～0.5 m,垫层的最佳压缩模量为30一100MPa,这与目前工程上常用的垫层厚度和垫层模量相符;利用该方法可对刚性、半刚性桩复合地基进行优化设计.     

四车道扩挖隧道爆破振动对新建隧道的影响

以泉厦高速公路大帽山隧道为工程背景,应用数值模拟方法从振动速度、振动应力和应力波3个方面分析得出沿扩挖隧道轴向动力特性,同时分析自由面对爆破地震波的影响.结果表明:距掌子面15m处振速衰减达50%,且在离掌子面10m处振速已经低于安全临界值;最大主应力峰值在距掌子面15m的范围内衰减最快,在离掌子面15以上时爆破振动影响逐渐趋于稳定;应力波在0.4ms时应力达到最大值13.3GPa,而在0.6ms时最大应力衰减到771.2MPa,只有0.4ms时的5.80%;自由面对爆破地震波的反射作用使能量损失55.6%,但先建隧道自由面使地震波反射叠加,从而使能量增加.     

网格状带齿加筋砂垫层界面特性的细观机理分析

为了研究网格状带齿加筋砂垫层结构筋土界面的细观作用机理,利用颗粒流程序,采用内置clump方法开发了可模拟砂土性状的椭圆形颗粒,建立了筋土拉拔试验的数值模型.与室内试验结果进行对比,分析了拉拔界面剪切带的演变与荷载传递机理.结果表明:在拉拔过程中,齿筋附近出现应力集中现象;相同的拉拔位移下,带齿加筋砂垫层体中的剪切带厚度明显大于加筋黏土体中的剪切带厚度,且剪切带的形状也发生了明显改变;齿筋的贡献度随拉拔位移的不同而有所差异,且每根齿筋的贡献度也不一致.     

砂土中垫层隔震基础地震响应离心模型试验及数值分析

针对砂土地基中的一种新型基础型式——垫层隔震基础,开展地基-基础-结构动力相互作用的离心振动台试验和三维数值模拟。通过对比不同峰值和类型地震波作用下新型垫层隔震基础与传统群桩基础的动力响应,探讨垫层隔震基础的隔震机理,并结合参数分析垫层厚度等因素对垫层隔震基础地震响应的影响规律。结果表明,与群桩基础相比,垫层隔震基础的上部结构加速度降低,但其峰值及残余位移较大;桩顶约束减弱,筏板与垫层在强震下相对滑动,传递的惯性力降低,导致桩身最大弯矩减小且位置下移;桩身弯矩随垫层厚度的降低而显著增大。     

岩质边坡滚石飞落模型与防治技术

针对公路岩质边坡的滚石灾害问题,建立岩石跳跃滚落的理论分析模型,推导了岩石运动的轨迹方程、滚石第1次落点后的水平速度和竖向速度以及第2次落点的水平距离,计算了滚石掉入构筑物表面的水平距离和对砂垫层的撞击能,并计算了滚石撞入砂垫层的入土深度,分析了撞击能与入土深度的关系,同时推导出了滚石落入砂垫层的冲击压力、最大法向压应力、撞击能以及压入量,并通过2个算例对提出的模型进行验证,根据计算结果选取了合理的防护方式对滚石灾害进行防护。研究结果表明:算例1滚石对砂垫层的压入量为1.28m,设计构筑物上的砂垫层厚度为2m,同时考虑到构筑物的安全储备,滚石撞击坡面后的水平运动距离小于撞击点到公路路缘的水平距离,滚石飞落至地面的撞击能为167kJ,采用型号为AXI-015(防护等级为200kJ)的被动防护网可有效防护构筑物,避免安全事故的发生;算例2滚石落入砂垫层的压入量为0.87m,撞击能为124kJ,设计洞口顶回填1.5m厚的砂垫层,采用防护等级为150kJ的被动防护网可有效防护边坡滚石灾害。采用提出的模型计算并进行防护的效果非常明显,证明了所建模型的可实施性,为以后类似工程提供了有益指导。     

基于冲击波正反射理论的半封闭结构灭弧特性研究

由于雷电流在泄放过程中会引起绝缘电位差升高,导致接地网出现高电位差,威胁人身安全以及设备的正常运行。为降低杆塔接地电位差,采用半封闭结构压缩电弧产生冲击波,并在冲击波触壁后二次压缩气体形成反射波,以波叠加作用破坏电弧的发展。本文首先通过冲击波正反射理论,分析计算了峰值为10 kA的8/20μs冲击电流产生的正反射波超压值可达4.8 MPa;其次,建立二维轴对称的冲击放电模型,对结构的大电流冲击放电过程进行仿真;最后,进行半封闭结构电流冲击试验。仿真结果显示在10μs半封闭结构内最大压强达4.38 MPa,在80μs左右电导率降至0;试验结果测得冲击电流幅值由9.54 kA衰减到5.72 kA,并在65μs左右电流降至0。仿真与试验结果都表明,半封闭结构能有效熄弧并限制绝缘电位差升高。     

水平应力与裂隙密度对顶板安全厚度的影响

将地下空区顶板视为梁模型,采用结构稳定理论,建立水平应力与地下空区项板安全厚度之间的关系;以裂隙张量为基础,将岩体中的裂隙看作初始损伤,对含随机分布裂隙的顶板岩体进行分析,推求裂隙岩体的等效变形模量和等效泊松比,从而建立地下空区项板厚度与岩体裂隙密度之间的关系,并探讨水平应力与岩体裂隙密度对地下空区顶板厚度的影响.研究结果表明:地下空区顶板厚度与水平应力及岩体裂隙密度具有较大的相关性,最小安全厚度随着水平应力的增大而增大,当水平应力由0 MPa增加到15 MPa时,对安全厚度的影响较大;当水平应力大于15 MPa时,随着水平应力的增大,安全厚度的增加幅度较小;最小安全厚度随着岩体裂隙密度的增大而增大,安全厚度与裂隙密度近似呈直线关系.     

强夯加固砂土地基模型试验研究

在一侧可观测砂土位移的模型箱内开展室内强夯模型试验.重点研究了砂土地基在不同强夯能级作用下的地表夯坑变化、动应力响应特性、动应力衰减规律,同时通过对比强夯作用前后砂土地基不同深度处彩砂的位置变化,分析了强夯后砂土地基内部位移的发展规律及分布情况.试验结果表明：适用于砂土地基的最佳夯击能为6000 kN·m,夯击能2000、4000、6000、8000 kN·m对应的最佳单点夯击次数分别为15、14、12、12次.强夯对砂土的加固是一个自上而下的过程,浅层需要较少的次数即可密实,深处土体需要夯击次数的提升和夯击能的提升才能更好密实.     

土壤动态冲击压缩性能实验研究

为获得不同侵彻体在土壤中的衰减规律,采用分离式Hopkinson压杆实验装置,分别对不同参数的土壤材料进行了冲击压缩性能实验,得到了相应的应力-应变曲线. 根据实验结果,从土壤材料的密度、质地及含水体积分数3个方面分析了其动态响应特性,得出了在动态冲击载荷作用下土壤材料各种参数对其动态力学性能的影响. 研究结果表明:随着密度的增大,土壤的动态冲击应力峰值一般会增大;黏土质地土壤的应力峰值一般较大,且应力的下降速度较慢;土壤中含水体积分数对砂土和壤土质地土壤的应力峰值影响不大,但对黏性质地土壤却有非常大的影响.      

冲击荷载作用下层状充填体动力学特性及破坏模式

为研究冲击荷载作用下层状充填体的动力学特性,本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统及LSDYNA模拟软件,研究灰砂比、冲击速率和分层数对充填体动态弹性模量、静/动态峰值应力、动态强度增长因子及破坏模式的影响规律。研究结果表明：随分层数增加,充填体的动态弹性模量、静/动态峰值应力逐渐减小;随灰砂比增加,充填体的静/动态峰值应力逐渐增大;随冲击速率增大,充填体的动态弹性模量、动态峰值应力及动态强度增长因子逐渐增大;在冲击破碎过程中,完整充填体的破坏模式主要表现为剪切破坏,而层状充填体则于分层面处发生劈裂破坏;当冲击速率小于4 m/s时,未分层充填体沿试件表面发生轻微破碎,层状充填体则沿试件分层面处发生断裂;充填体内分层面的存在可降低充填体动态峰值应力。     

自进式大吨位架廊机前支腿垫层承载力数值模拟及现场试验研究

雄安新区启动区NA8路示范段综合管廊建设采用廊上架廊自动化节段安装工艺,为了研究架廊机前支腿垫层的沉降特征、承载能力及其对架廊机设计和管廊安全安装的影响,本文以雄安新区京雄城际铁路JXSG-6标固安南制梁场作为试验场地,对架廊机前支腿施工区域的垫层进行数值模拟和浅层平板载荷现场试验,数值模拟研究了不同垫板宽度和垫层厚度对土体沉降和应力的影响,试验采用堆载块分十级加载,每级加载40 kPa荷载。试验结果表明：垫板宽度由1m增大至5m,土体沉降降低52.5%;考虑安全储备和找平作用,垫层厚度优化为20cm;单级加载垫层的沉降区间为0.43～0.78 mm,呈现先降低后平稳再增加的趋势;垫层累计沉降5.72 mm,在架廊机前支腿设计承压条件下,垫层地基累计沉降值仅为1.98 mm;堆载试验完成后,承压板东西两侧的路面、承压板底部砂面和承压板底部垫层均保持较好的完整度,未发现显著沉降或开裂现象;承压板垫层地基刚度为69.93 MPa/m,垫层的变形模量为58.1 MPa。研究显示架廊机前支腿垫层具有良好的承载力,能够满足综合管廊节段安装阶段架廊机的施工要求。     

不同形状落石冲击砂垫层试验结果及分析

棚洞结构是山区公路抵抗落石冲击的重要工程手段,落石冲击响应的研究对落石灾害防护结构棚洞结构的设计至关重要。针对不同落石形状导致的冲击作用差异,通过3D打印模具,加工了5种不同形状的砂浆椭球体,研究了5种不同形状落锤对砂垫层的冲击效应。结果表明：不同形状落石的加速度时程曲线不同,达到峰值加速度的先后顺序为D₅、D₄、D₃、D₂、D₁,冲击持续时间为D₁>D₂>D₃>D₄>D₅;不同形状冲击力大小总有尖端椭球体(D₁、D₂)<球体(D₃)<扁平椭球体(D₄、D₅),以球体落石冲击力为基准,得到引入形状系数的冲击力计算公式;通过对冲击力结果的拟合分析发现下落高度对冲击力的影响相对独立,不随落石形状的变化而变化。     

重载交通下CTCP-CRCP复合路面振动试验研究

对由斜向交叉缓黏结预应力混凝土上面板(CTCP)、沥青砂应力吸收层、连续配筋混凝土下面板(CRCP)组成的"三明治"式复合路面结构在不同重载车辆冲击下的加速度反应进行试验研究.首先,利用埋设的加速度计,分别测试了在轴载为100、200、300kN的重载车辆冲击下CTCP和CRCP的加速度反应谱,并采用CTCP和CRCP加速度比值的统计均值作为沥青砂应力吸收层的应力吸收因数.然后,对上述3组加速度反应谱进行傅里叶变换,获得频率谱.试验结果表明:在上述3组重载车辆冲击作用下,CTCP加速度最大峰值分别为0.022、0.039、0.059m·s~(-2),CRCP加速度最大峰值分别为0.010、0.015、0.025m·s~(-2),沥青砂应力吸收层应力吸收因数分别为3.15、3.38、3.46.该结果表明"三明治"式复合路面结构中沥青砂应力吸收层能有效缓解重载车辆对路面的冲击,适合在重载交通中应用.     

裂隙岩体边坡开挖卸荷稳定性离散元数值模拟研究

工程岩体边坡中伴生着大量随机裂隙,开挖卸荷很容易导致裂隙扩展,最终导致边坡失稳.但卸荷边坡稳定性涉及断裂力学、岩体力学、地质工程、水力学等多个学科,很难精确分析.针对裂隙岩体边坡,借助离散元方法定义裂隙密度,分析应力水平、台阶高度、裂隙密度等不同因素对边坡卸荷程度的影响.研究结果表明：开挖过程中,当应力水平由0.5 MPa增至2 MPa时,开挖面处最小主应力由0.01 MPa增加到0.2 MPa,最大位移由1.4 cm增加到6.5 cm;随着台阶高度减小,卸荷产生的拉应力区范围减小,变形主要位于中下部岩体;当裂隙密度增大时,边坡最大位移由1.4 cm增至5.5 cm,裂隙沿着优势面贯通趋势越明显.研究成果可为裂隙岩体边坡开挖卸荷变形控制提供参考.     

考虑粗糙度和相对密实度下砂土-混凝土桩接触面力学特性试验研究

为探究粗糙度和土体相对密实度对砂土-混凝土桩接触面力学特性的影响规律,利用大型直剪仪开展了不同粗糙度、相对密实度下的砂土-混凝土接触面直剪试验,分析了粗糙度、相对密实度对砂土-混凝土接触面的剪切应力-切向位移、峰值剪切强度、割线摩擦角、归一化摩擦系数的影响.研究结果表明：密砂的剪切应力-切向位移曲线在光滑接触面下呈轻微软化型,随粗糙度增加,软化越明显;松砂的剪切应力-切向位移曲线始终呈硬化型.界面峰值剪切强度随法向应力增加呈非线性增长,土体相对密实度越大,非线性越明显.接触面割线摩擦角随法向应力增加呈指数衰减,而由于剪切强度增量较小,导致接触面峰值摩擦系数随法向应力增加呈幂函数衰减.存在临界粗糙度Icr, 当I > Icr时,接触面峰值摩擦系数和归一化割线摩擦角不再随粗糙度增大而增加,而是呈减小趋势.     

多因素耦合诱发孤立煤体冲击地压机理研究

为研究孤立煤体在采空区侧向支承应力、超前支承应力、断层切割形成的地堑结构等因素的耦合作用下诱发冲击地压事故的发生机理,采用现场实测、数值模拟等手段,分析了孤立煤体从形成到发生冲击地压事故期间的应力、塑性区演化过程。研究发现：2305S工作面受相邻采空区侧向支承应力作用,影响范围约210 m,应力峰值55.81 MPa; 2305S工作面推采至105 m时超前工作面45 m处应力峰值约为52.23 MPa;工作面推采至250 m时,在工作面前方41 m处应力值达70.96 MPa,应力集中系数达2.90;工作面推采至250 m时“见方”效应显现强烈,使孤立煤体区域应力集中程度加剧;同时2304S工作面采空区也使得楔形地堑区岩层沿高倾角断层面滑移,挤压孤立煤体区域,造成工作面断层三角区煤体应力进一步集中,从而诱发冲击地压。