急倾斜煤层巷道围岩变形破坏机理及支护研究

急倾斜煤层巷道大多采用单一的支护体系,变形破坏极为严重.为了找出适合急倾斜煤层巷道的支护体系,对急倾斜巷道围岩变形破坏特征进行了深入的分析.以赵家坝煤矿3964运输平巷作为研究对象,借助岩石点荷载试验、围岩松动圈测试和数值模拟软件,对该巷道围岩力学性质、围岩松动范围、应力分布、变形情况分别进行研究,得出急倾斜煤层巷道围岩变形破坏机理,提出了锚网索钢带+注浆的支护体系.工程实践表明,该支护体系大大增强了急倾斜煤层巷道的稳定性,为急倾斜煤层巷道支护提供了科学依据以及实践经验.     

基于监控量测的隧道围岩变形时空特性分析

隧道开挖导致围岩应力释放与调整,围岩变形具有明显的时空特性。通过分析围岩变形机理,结合大中山2号隧道现场监控量测数据,对隧道开挖后进口浅埋偏压段围岩变形的时空特性进行了分析。结果表明:隧道进口浅埋偏压段上覆围岩变形与开挖掌子面位置及移动过程具有明显的时空特性,隧道开挖后地表横向沉降呈U字型分布,且随埋深的增加累计沉降量逐渐减小。隧道围岩变形趋于稳定时,拱顶沉降和周边收敛时间特征曲线相似,并进行了回归分析。隧道围岩变形规律的分析研究对于防治工程灾害、确定支护最佳时机、调整施工工序有重要意义。     

砂砾石地层隧道开挖模拟多尺度分析方法

在砂砾石地层中,围岩土体及隧道结构的变形与力学行为主要受控于开挖扰动程度及开挖扰动范围内块石细观结构的影响.结合土石混合体的细观结构分布特征,基于尺度分离与尺度耦合相结合的思想,提出了砂砾石地层隧道开挖多尺度分析方法及分析模型,继而对该分析方法中的3个关键问题,即核心区域与非核心区域的划分,核心区域内关键粒径的确定及土石混合体宏观等效物理力学参数的确定方法进行了探讨.该多尺度分析方法的基本思想是:将砂砾石地层隧道开挖模型划分为核心区域与非核心区域,在核心区域内从细观上考虑土石混合体的分布特征,在非核心区域将土石混合体视为宏观均质材料,在此基础上进行砂砾石地层隧道开挖的宏细观模拟与分析.采用该分析方法对砂砾石地层隧道开挖过程进行了多尺度模拟,从围岩土体变形与围岩压力两个角度,与砂砾石地层隧道开挖细观分析模型及宏观分析模型得到的结果进行了对比,发现本文多尺度分析方法与细观分析模型的结果吻合较好,验证了多尺度分析方法的有效性,且该方法大大减少了计算量与建模工作量,提高了计算效率.     

一种新型双弹簧、双活塞本构模型在聚合物黏弹性质描述中的应用研究

推导了双弹簧、双活塞黏弹性力学模型的本构方程.在CETR UMT-2型试验机及LKDM-2000轮廓摩擦磨损仪上考察了尼龙PA66、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛和聚醚型聚氨酯等材料的静态蠕变特性、松弛特性.分别利用标准线性固体模型和新型本构模型对实验材料的蠕变、松弛特性进行了表征.实验事实及理论计算结果表明,相对于标准线性固体模型而言,该力学模型能更好地反映聚合物材料的蠕变、松弛等黏弹性质.     

基于MSC.Marc的高混凝土坝非线性时效变形量化的程序实现

变形是混凝土坝结构性态的综合反映,尤其是时效变形,是评价大坝结构性态转异和长效服役健康状况的重要指标.针对坝体混凝土徐变和坝基岩体蠕变等材料固有时效变形特征所引起的混凝土坝时效变形,组建了适合高混凝土坝变形的坝体、坝基非线性时变本构模型,并研究了三维应力状态下的时效变形方程,提出了基于Drucker-Prager屈服函数的坝基岩体蠕变分段准则;在此基础上,基于通用商业有限元软件MSC.Marc,研究了本文所建非线性时变本构模型的二次开发程序实现方法,进而实现对高混凝土坝固有时效变形的量化分析.通过算例验证了基于MSC.Marc进行二次开发的可行性和正确性,某高混凝土重力坝固有时效变形的正反分析结果表明了所建模型的工程实用性.     

高堆石坝筑坝材料宏细观变形分析研究进展

随着我国水电事业的快速发展,高堆石坝的建设已达200～300 m级.超过200 m级高堆石坝将表现出与以往明显不同的变形特性,其变形控制是工程建设的难点之一.由于堆石体等筑坝颗粒材料宏观上连续,而细观上离散,易发生颗粒破碎,其本构模型与变形机理尚未明确,因此需要从宏观和细观两个层面对其应力变形特性进行研究.本文总结了近年来高堆石坝及筑坝堆石体在宏细观变形方面的研究进展,着重对高堆石坝宏观本构研究及参数率定、筑坝堆石体细观力学研究方法、细观变形机制以及堆石料缩尺效应等方面做了介绍,并对后续高堆石坝建设过程中筑坝材料的变形控制的研究趋势进行了展望.     

不同开挖错距条件下偏压连拱隧道围岩及中隔墙应力变化规律分析

偏压连拱隧道施工工艺繁杂,围岩多次扰动,两个洞体之间相互扰动影响较大,导致衬砌结构内力分布更为复杂。以大中山1号偏压连拱隧道为工程背景,结合隧道实际开挖情况,采用MIDAS/GTS软件建立隧道三维数值模拟计算模型,对偏压连拱隧道V级围岩中导洞-台阶法开挖不同施工顺序下围岩和中隔墙受力变形及二衬受力状况进行模拟分析。结果表明,当浅埋侧主洞先行,上下台阶开挖步距为6 m,左右幅掌子面错距为2.5~3倍洞径时,开挖作业过程中两洞相互影响较小,结构受力较为合理。     

钢筋混凝土节点核心区剪切破坏尺寸效应试验研究

设计了最大节点核心区尺寸为700 mm×700 mm的14个几何尺寸相似的钢筋混凝土(RC)框架梁-柱节点(中间层中节点)试件,对其在不同加载方式(单调与循环加载)下的力学性能进行了试验研究.研究了荷载形式、配箍率及尺寸对节点核心区剪切破坏行为的影响规律;重点分析了节点核心区名义剪切强度的尺寸效应规律,并初步讨论了尺寸效应产生的根源.试验结果与分析表明:(1)不同荷载形式作用下RC梁-柱节点的破坏均为核心区脆性剪切破坏;(2)由于低周疲劳损伤特性,循环荷载作用下节点剪切强度较低,且变形能力较弱;(3)节点名义剪切强度随结构尺寸增大而减小,尺寸效应显著;(4)随着箍筋率的提高,节点抗剪承载力及变形能力增强,剪切强度的尺寸效应行为被削弱.本试验中,混凝土破坏的主导效应以及加载的低周疲劳特性是剪切破坏尺寸效应产生的主要原因.     

基于累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计计算方法

实现长期循环荷载作用下基床结构累积变形有效控制是建造高速铁路的技术难点之一.基于高速铁路无砟与有砟轨道路基承受列车动荷载特征,提出和完善了用于基床结构设计的荷载作用模式;根据循环荷载作用下土工填料累积变形演化状态的分类及阈值判别准则,结合室内单元结构填土模型试验,获得了级配碎石基床填料变形状态演化的阈值参数.以设计荷载条件和填料设计参数为基础,针对无砟与有砟轨道对基床变形状态控制的不同要求,采用结构分析原理,构建了基于累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计计算方法,确定了无砟与有砟轨道基床结构累积变形分别满足快速稳定和缓慢稳定的状态控制要求,以地基系数K30值表征的关键参数指标.研究成果为实现高速铁路基床结构由构造设计向状态控制定值分析转变奠定了基础.     

长沟峪急倾斜煤层巷道锚网索支护技术研究

针对北京长沟峪煤矿东二西四槽回采巷道的地质条件,利用FLAC^2D软件模拟研究了该巷道的非对称变形特征及强度薄弱部位,确定了用于这类巷道的合理的锚网索支护方案,通过现场实施,进行了巷道表面位移、围岩深部位移、锚杆（索）动态锚固力等内容的矿压监测。数据显示,该支护方案设计合理,取得了理想的支护效果及显著的经济效益,对类似急倾斜煤层支护提供了有益借鉴。     

浅埋偏压连拱隧道衬砌裂缝监测与综合分析

浅埋偏压连拱隧道二次衬砌开裂是隧道安全预留层受力的综合表征,衬砌裂缝的调查分析与监测可以反映隧道整体受力情况。以云南石红高速公路大中山1号隧道为工程背景,通过对其衬砌裂缝的现场调查、统计与分析,结合施工图设计、施工记录、施工监控量测报告系统,分析了浅埋偏压连拱隧道裂缝产生的主要原因为施工因素、地质因素及偏压荷载。进而针对典型裂缝进行裂缝空间形态跟踪监测,并对量测数据进行适时整理分析,掌握了裂缝成因发展规律,基于衬砌结构承载状况给出了裂缝控制与防治措施。     

考虑孔隙压密的岩石非线性变形行为计算分析

含孔隙裂隙岩石的非线性变形对分析岩体工程中的力学响应和安全评价具有重要意义.需要考虑岩石的孔隙性建立能够反映岩石变形非线性特性的本构模型.本文首先分析了岩石非线性变形的力学机理,将岩石的全应力应变曲线分成两段.然后对两段分别建立本构关系:在压密闭合阶段,提出压密因子的概念,以表征孔隙率变化对岩石变形特性的影响;除压密闭合阶段外的另一阶段,基于损伤理论,采用岩石细观单元本构模型来描述,以最大拉应变准则和摩尔-库仑准则作为损伤判断准则.借助有限元分析软件COMSOL Multiphysics,通过MATLAB编程实现对该模型的数值求解.为验证模型的正确性,将数值模拟得到的结果与试验数据进行对比.最后,对6种孔隙率不同但岩石基质相同的岩石进行了单轴压缩破坏过程数值模拟.研究结果表明:运用提出的压密因子所建立的本构模型可以很好地模拟岩石的压密闭合阶段的非线性,对同种岩石孔隙率越大单轴抗压强度越小,随孔隙被压密弹性模量越来越大.     

多维虚内键模型(VMIB)及其在岩体数值模拟中的应用

多维虚内键模型(VMIB, virtual multi-dimensional internal bonds)是在虚内键(VIB, virtual internal bond)理论基础上发展起来的一个多尺度力学模型. VIB理论认为固体材料在微观尺度上由随机分布的材料微粒(material particle)组成, 微粒之间由单一法向键连结; 而VMIB模型则在原VIB模型单一法向键基础上又引入了切向键用以约束微粒点对之间的相对转动自由度. 材料的宏观本构方程则由两种虚内键的刚度系数导出, 并在理论上证明了微观两种虚内键的刚度系数与宏观材料常数之间存在一一对应关系, 表明了在VMIB模型中增加切向键的充分性和必要性. 由于材料的断裂准则直接嵌入到本构方程中, 这使得VIB和VMIB模型在模拟材料断裂破坏方面有着较大的优越性. 岩体由于受到分布裂纹的切割作用, 宏观上表现为各向异性力学特征. 在岩体损伤模型中, 岩体裂纹的分布特征通常由损伤张量描述. 岩体在某一方向上的相对刚度大小决定于该方向上损伤值的大小. 在VMIB模型中, 微观虚内键的空间分布密度决定着材料宏观各方向上相对刚度的大小, 这与岩体损伤对岩体力学性能的影响是一致的. 文中在损伤张量与虚内键分布密度之间建立了定量关系, 将岩体等效为VMIB固体. 理论与试验结果表明, 这种等效的VMIB固体可以再现分布裂纹对岩体力学性能的影响, 这为进一步应用VMIB模型对岩体破坏行为进行数值模拟奠定了基础, 同时也为其他多裂纹体的数值计算提供一种新思路.     

双重孔隙-裂隙岩体中地下洞室稳定性的瞬弹-粘弹-粘塑性二维有限元分析

用西原模型描述双重孔隙-裂隙介质的流变特性,但其中的瞬弹、粘弹及粘塑性元件由岩块和节理的成分构成,建立了该模型的平面有限元求解格式并引入已开发的计算程序中.针对一个矩形地下洞室围岩中无、有成组正交或斜交裂隙的四种计算方案,进行数值模拟,分析、对比了围岩中的位移、应力及塑性区.其结果显示:多组裂隙的作用一是降低了完整岩体的抗剪强度,二是改变了围岩中的应力分布及量值;与单一介质相比,双重介质围岩中位移的方向有所变化,其随时间发展的量值明显增大,并且应力场的分布也有相应的改观;随裂隙组倾角的改变,双重介质围岩中的塑性区范围可能比单一介质围岩中的大或小.     

纤维灌浆材料在预应力锚索中的作用机理研究

纤维灌浆材料能大幅度提高预应力锚索锚固段的抗拉强度、抗剪强度及断裂韧性指标,显著地提高预应力锚索在长期荷载作用下的耐久性,因而具有较好的应用前景,以细观力学的剪切滞模型及Hashin-Shtrikman上下限定理为基础,维灌浆材料对胶结面上的抗剪强度、锚固段侧阻力分布规律以及锚固段荷载变位特性等的影响.     

考虑时间效应的UH模型

分析时间对土的效应,在对现有理论和试验数据总结分析的基础上提出了瞬时正常压缩线的概念;基于蠕变规律,建立老化时间与超固结度的关系;采用UH模型(以统一硬化(United Hardening)参数作为硬化参量建立的三维超固结土弹塑性本构模型)的再加载公式计算瞬时变形,提出超固结土一维弹黏塑性应力应变关系;分析一维弹黏塑性应力应变关系的演化规律,定义特征速率并给出其与超固结参数的关系;在UH模型屈服面方程中引入折算时间,建立三维弹黏塑性本构模型.该模型在UH模型的基础上考虑时间效应,不仅能够描述土的剪切蠕变、松弛、速率效应等黏性规律,而且能够反映土的剪胀、软化等超固结性质;与修正剑桥模型相比,仅增加一个次固结系数来反映土的蠕变规律;该模型在瞬时加载条件下退化为UH模型,从而使弹塑性与弹黏塑性框架得到统一.     

纤维加筋土技术国内外研究进展

根据国内外近20年来在纤维加筋土技术方面取得的研究成果,主要对纤维加筋土的力学特性、变形特性、本构模型、动力特性及天然纤维加筋土应用技术等方面的研究现状进行了介绍。研究发现,针对纤维加筋土的强度特性进行的大量研究均表明,加筋纤维能有效提高土体的抗剪、抗压、抗拉强度和承载力,降低膨胀土的胀缩性,而纤维含量、纤维长度及龄期是影响纤维加筋土强度和变形的主要因素;在动力特性方面,纤维加筋可以提高土体的动力学性能,但相关研究较少,尚未形成系统的理论;在本构模型方面,目前的模型主要用于预测纤维加筋土的抗剪强度,缺少能够完整描述纤维加筋土应力应变关系的本构模型。在天然纤维加筋土及其应用方面,由于是近年来才逐步开展的研究,尚缺少大范围的研究,理论还不完善。最后,对纤维加筋土研究现状进行了概括,并针对目前研究中的不足,提出了今后该领域的研究重点和方向,主要包括:开展大试样及大尺度模型试验、纤维加筋土的本构模型研究、纤维加筋土的动力学特性研究、纤维加筋特殊土研究、天然纤维加筋土的系统研究等。     

钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)的原理及其在锦屏二级水电站工程中的初步应用

岩体初始地应力问题的研究在岩石力学与工程领域具有重要意义.作为地质体组成部分的岩体与其他材料明显不同之处之一就是其内部赋存有地应力状态,了解地壳某一局部区域地质岩体残余至今的地应力状态是一项极为复杂而又十分重要的研究课题.对地壳应力状态的认识虽然总体上有一些规律可寻,但主要手段还是靠现场原位的地应力实测.简要评述了目前普遍采用的三维地应力测量方法及其不足.提出了钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)三维地应力测量原理及其具体实施方案,研制了基于BWSRM法为原理的地应力测井机器人,并将其初步应用于锦屏二级水电站工地埋深达2430m处的地应力实测工作,验证了BWSRM法地应力测量原理的可行性和合理性.BWSRM法与测井机器人在地应力测井工作中的推广和应用具有十分广阔的前景.     

基于梁-颗粒模型的钢筋混凝土结构爆炸破坏数值研究

钢筋混凝土在爆炸载荷下的力学行为研究是防灾减灾与防护工程领域的重要研究课题.在离散元框架内,开发了模拟钢筋混凝土结构;在爆炸载荷下破坏过程的三维梁-颗粒模型,在弹性范围内,用矩阵位移法描述梁的变形与受力的关系,提出了用应力表达梁的强度准则.基于Cowper-Symonds理论,开发了描述钢筋在高加载率荷载下变形的梁-颗粒模型.采用C＋＋语言开发了模拟程序.进行了钢筋混凝土板在爆炸载荷下破坏规律的实验研究,同时用开发的模型进行了数值模拟,模拟结果与实验结果的对比表明：模拟结果与实验结果基本一致,所开发的模型可以反应爆炸载荷下钢筋混凝土材料的破坏特征,能够真实地体现爆坑的形成、裂纹的扩展、层裂等现象.     

爆破冲击荷载下花岗岩残积土的力学响应试验研究

地铁隧道盾构施工前,通常需要对风化层中的孤石进行爆破处理,爆破荷载不可避免地对周围土体产生扰动.为了调查爆破冲击荷载对花岗岩残积土力学行为的影响,开展了不同冲击速率、频率、振动峰值应力及有效围压作用下花岗岩残积土的冲击动力试验,分析冲击荷载引起的超静孔隙水压力和变形的发展规律与破坏模式.结果表明:高速冲击引起的颗粒重排会增大土的内摩擦角,但强度增大的同时也会破坏原生结构强度,土体产生更多裂缝;振动峰值应力与频率对残积土的影响均存在着临界值,振动峰值应力与频率超过临界值时,强度软化且变形量增大;低围压下残积土可能会出现剪胀与剪切带破坏;提出的3种爆破冲击破坏类型中,低频高振动峰值应力的冲击条件下易出现严重的冲击破坏,频率3 Hz、振动峰值应力400 kPa是厦门花岗岩残积土介于破坏型与亚稳定型的临界影响值,因此,工程实践中应关注低频、高振动峰值应力的爆破冲击对周围土体带来的危害.研究可为花岗岩风化层中爆破法处理孤石提供施工参数,也可为考虑爆破振动影响的土层的力学参数确定与评价提供技术支持.