非线性块系岩体动力响应及在巷道防冲支护中的应用

随着煤矿开采深度的增加,冲击地压灾害日趋严重,亟需采用新方法、新理论加以防治.摆型波是在深部岩体工程中发现的新型非线性波,其使岩体出现相对分离和相对压实的不同运动状态,与冲击地压灾害的发生密切相关.针对岩体中软弱结构层的非线性变形特征,引入双曲线模型建立块系岩体中摆型波传播的非线性动力模型,研究软弱层的物理力学性质(最大闭合量、初始刚度和阻尼)对块系岩体动力响应的影响.进一步,基于块系围岩与支护系统互馈作用的理论模型,在无初始地应力和考虑初始地应力的情况下研究巷道支护系统的刚度、让位能力和阻尼耗能作用对巷道顶板动力响应的影响,分析支护系统的受力情况,为新型防冲吸能巷道液压支架设备的吸能让位行为提供理论依据.研究结果表明:基于双曲线模型建立的块系岩体的非线性动力模型能够限制岩块间软弱层的最大变形量.冲击载荷越大,增大软弱层最大闭合量时岩块的加速度降低程度越显著.增加支护系统刚度,增强支护系统让位能力和阻尼耗能能力,均可有效降低巷道顶板的加速度幅值,减轻巷道围岩对支护系统的冲击力,有效保护巷道结构.

耦合渗流-变形的数值流形法裂隙岩质 边坡稳定性分析

岩石裂隙渗流问题作为影响岩石边坡失稳的重要因素吸引了越来越多研究者采用不同的数值方法模拟其力学行为。提出了一种基于渗流-变形耦合模型的数值流形方法,并相应地讨论了岩体裂隙网络中地下水的流动、渗透压力和岩石变形的耦合效应。基于最小能量原理,分别推导渗流条件下单元边界流体压力和系统的整体平衡方程,以及块体接触算法求解任意岩石裂缝的局部安全系数。通过一系列验证实例对所提出的数模模型进行检验,验证了该数值模型的鲁棒性和有效性。利用该方法模拟了一个岩石边坡由于渗流作用而发生的坍塌事故,再现了岩石边坡的破坏过程。模拟结果表明,过大的水力压力导致垂直裂缝张开,增加岩体变形量,最终导致边坡破坏。研究表明,该方法在模拟大规模工程问题方面具有很大的潜力。

基于裂纹动力学的岩石动力破碎平均块度研究

作为表征动力破碎的重要参数之一,平均破碎块度的研究对于揭示岩石破碎机理具有重要意义。尽管进行了大量理论与实验研究,但是还缺乏从裂纹动力学角度来澄清岩石破碎和块度形成机理。基于动态荷载作用下翼型裂纹扩展模型和J. R. Gladden柱体动力屈曲失稳模型,提出了一种预测岩石平均破碎块度的方法,并探究了应变率对动态强度和平均破碎块度的影响。研究结果表明,随着应变率的增加,动态强度增加,平均破碎块度减小,且应变率依赖性逐渐降低。模型平均破碎块度预测与实验数据吻合良好。

砂岩强度的动态尺寸效应机理研究

试验研究发现岩石强度的动态尺寸效应与静态尺寸效应相反,但岩石动态尺寸效应的内在微细观动力机理还没有澄清。本文以砂岩为例,基于岩石的翼状裂纹模型,联合求解裂纹的加载方程和运动方程,研究了在动载作用下试件尺寸对岩石强度的影响机理,即岩石强度的动态尺寸效应。结果表明:在相同动力加载率条件下,试件尺寸越大,裂纹连接所需要的时间越长;试件破坏时的施加的应力(也即动态强度)越大,试件的动态尺寸效应越显著,岩石动态强度近似以幂律关系增长;对于一定的试件尺寸范围,根据数值分析,得到岩石的临界应变率范围,在该临界应变率以下,静态的尺寸效应占主导地位,在该临界应变率以上,动态尺寸效应占主导地位,且临界应变率随试件尺寸增加而降低;试件临界尺寸随着应变率增加而降低。

中空夹层钢管混凝土柱外钢管轴压局部失稳的简化计算模型

轴压作用下中空夹层钢管混凝土短柱的外钢管失稳临界应力计算公式还不够完善。分析认为,中空夹层钢管混凝土短柱的外钢管与实心钢管混凝土短柱的外钢管受力情况基本相同。因此,基于张耀春等的理论模型研究了中空夹层钢管混凝土短柱外钢管的局部失稳。构件夹层混凝土与外钢管条形单元相互作用模型取为文克尔弹性地基上的长梁模型,进而可以利用文克尔弹性地基梁理论计算外钢管的弯曲波长λ。根据实际工程中的钢管厚度t与圆柱构件横截面半径r之比远小于1∶t/r?1的情况,和外钢管失稳波长约为弯曲波长λ,简化了张耀春等模型中的理论推导。类比该模型,推导得出中空夹层钢管混凝土短柱外钢管局部失稳临界应力简化计算公式。该简化计算模型中局部失稳波长与其他学者的试验数据对比,平均误差为7.7%,临界应力计算值的相对误差值为2.7%,表明该简化计算公式可行,可以为工程实践提供参考。

破膜压力对综合管廊燃气爆炸传播的影响

综合管廊应用广泛,泄漏燃气爆炸会对管廊造成严重破坏。利用燃气舱内潜在的泄爆体系,可降低爆炸冲击带来的危害,但是目前还缺乏这方面的定量研究。针对地下综合管廊中爆炸传播过程,利用Fluent软件建立了三维数值模型,模拟了不同破膜压力下火焰传播、爆炸超压、爆炸超温的变化情况。结果表明:随着破膜压力增加,舱内火焰最大传播速度、最大爆炸超压、最大初始温度逐渐增加,火焰在燃气舱内持续的时间增加、泄爆口处火焰速度减缓;当破膜压力小于60 kPa时,舱内最大超压为燃烧混合物泄放产生的峰值;当大于60 kPa时,外部爆炸的气体不足以阻碍内部已燃气体的泄放,舱内最大爆炸超压为二次爆炸产生的峰值。泄爆可以延缓并降低首次爆炸超温峰值的出现。研究结果将有助于深入了解泄爆作用下综合管廊内燃气爆炸的传播规律以及为燃气舱内逃生口的设计提供参考。

考虑实际接触三维粗糙度退化的软岩节理剪胀规律预测模型

为预测岩石节理的剪胀变形行为,分析了恒法向荷载作用下实际接触微凸体三维粗糙度在剪切过程中的退化规律,提出了一个适用于软岩节理的剪胀曲线预测模型。在剪切荷载作用下节理法向位移的变化是节理在三角形微凸体侧面爬坡上升行为与爬越一些微凸体顶点后闭合行为的叠加,爬坡行为与闭合行为引起的位移都正比于节理最大可能剪胀角。最大可能剪胀角退化的实质是实际接触节理微凸体平均等效倾角的退化。通过分析初始剪切与残余应力阶段的节理形貌特征,提出了计算初始最大可能剪胀角与残余应力阶段剪胀角的模型。基于软岩节理不发生突然脆性破坏的假设,进一步通过研究剪切过程中节理微凸体退化规律,量化了最大可能剪胀角的变化规律。定量了节理爬坡行为、闭合行为与最大可能剪胀角之间的关系,进而提出了节理剪胀规律预测模型,通过试验验证了模型的有效性。模型可较准确预测软岩节理的剪胀规律,并可合理描述节理初始阶段剪切压密行为。

干湿循环脆性岩石直接拉伸断裂的宏细观力学模型

针对三峡库区消落带等长期处于干湿循环条件下导致岩石损伤破坏的工程问题,探究在干湿循环和直接拉伸荷载共同作用下,脆性岩石的宏细观断裂力学特性这个难点问题。由于干湿循环条件下的直接拉伸试验较难实现,考虑干湿循环与直接拉伸荷载作用的宏细观力学关系模型非常欠缺。基于断裂力学理论方法,结合干湿循环试验研究方法,提出了一种干湿循环条件下脆性岩石直接拉伸断裂的宏细观力学模型。该模型是在考虑了干湿循环次数n与含水率ω对断裂韧度K_(IC)和初始损伤因子D_(0)综合影响的基础上,结合岩石初始细观裂纹损伤与裂纹断裂韧度的直接拉伸细观裂纹扩展力学模型建立的。对比分析抗拉强度、裂纹扩展极限长度l_(lim)、弹性模量、岩石劣化损伤的理论与试验结果,验证了模型的合理性。讨论了初始裂纹倾角φ、材料常数β等参数影响下,裂纹启裂应力及峰值应力随干湿循环次数n的变化规律。对比分析了干湿循环和单独含水条件对岩石劣化度力学特性的影响。

考虑深海能源土结构性影响的弹塑性本构模型

深海能源土是指水合物以不同赋存模式填充于孔隙中的海底沉积物。水合物的填充效应会对能源土的密度和孔隙比产生较大影响。水合物的胶结效应会产生随饱和度增大而增大的胶结力,两种效应共同影响着深海能源土的复杂力学特性。同时能源土也是一种特殊的结构性土,其骨架颗粒、孔隙性状和排列方式均会对能源土的强度、应变软化和剪胀剪缩等特性有影响。在CSUH模型的框架下,通过建立与水合物饱和度相关的压硬性参数来反映水合物对能源土压缩特性的影响。其次考虑水合物填充效应的影响,推导出了能源土的实际初始孔隙比计算式,并将其引入至能源土的状态参数中来反映其剪胀特性。最后将用于描述土体损伤效应的结构性参数与水合物饱和度相关的胶结性参数作为硬化规律,建立了一个考虑水合物填充效应的结构性深海能源土的弹塑性本构模型。通过与室内试验结果比较,验证了该模型可有效反映能源土在不同水合物饱和度和围压条件下的应变硬化及软化、体积剪胀剪缩等复杂力学特性。

压力拱厚度和地表沉降关系研究

隧道开挖后无支护条件下,隧道拱顶土体塌落后隧道具有维持自身稳定的能力,这与隧道上方土体中产生的压力拱有关。为研究压力拱厚度和地表沉降的关系,以隧道Ⅴ级围岩为试验对象,利用颗粒流数值模拟软件建立数值模型,分析压力拱内外边界及其厚度随隧道埋深的变化规律,并与理论公式对比验证,证明模型的准确性;利用该模型研究地表沉降随埋深的变化情况,确定压力拱相对厚度和地表相对沉降之间的关联性。研究结果表明:随隧道埋深的增加,土中压力拱相对厚度与对应的相对地表沉降之间呈负相关关系,压力拱起到了承担土体荷载、限制地表沉降的作用。

谱比法反演震源谱拐角频率的改进研究

由于地震波的信噪比,传播路径效应,震源机制差异和震源过程等因素的影响,传统的谱比法反演的拐角频率结果不精确,离散性大。以谱比法为基础,引入Bootstrap重采样法,KolmogorovSmirnov检验以及谱比趋势检验的筛选方法,对谱比法的反演结果进行精度评定和筛选,提高谱比法反演的拐角频率精度。将此方法应用于汶川地震余震的拐角频率、地震辐射能量、辐射效率以及能矩比等震源参数反演,建立拐角频率与地震矩之间的对应关系,验证谱比法以及三种筛选方法的可靠性。汶川地震余震震源参数反演结果表明,汶川地震余震的拐角频率与地震矩对应关系M0∝fc-3.295±0.25存在与自相似关系M0∝fc-3偏离现象。在地震释放能量方面,存在能矩比随地震矩增大而增大,以及大地震的辐射效率大于小地震的现象。

岩体的构造层次及其成因

岩体具有复杂的构造层次,这种构造层次的范围从微观一致延伸到宏观。但是对于这种构造层次的形成原因到目前为止还没有就内因及外因进行系统的研究。本文基于现有的地质力学研究成果及物理理论对于岩体构造层次形成的原因进行了系统研究。从研究结果可以看出,岩体构造层次的形成既具有岩石初始形成过程中的原因,也有后来的地质运动原因。在岩石形成时,由于不平衡状态的存在及与周围环境进行能量及物质交换,出现了自组织过程及耗散结构,从而形成了相互嵌入的自相似分形结构。地质运动原因是由于外部作用的存在使得地壳处于不平衡状态。不平衡状态为岩体的变形与破坏不断提供能量,从而形成耗散结构。在不同的年代形成不同层次的断层,邻近断层相互成45°角,尺度按2因子变化。由于岩体中存在着自相似分形结构,嵌入系数就是岩体内部构造自相似性的一种外在表现。

分区破裂化现象的研究进展

通过对分区破裂化现象的发现过程进行回顾、对分区破裂化现象的研究现状进行综述,对深部巷道围岩的受力变形的特点有了更好的认识,并利用弹塑性理论、断裂力学理论、非线性科学理论等对分区破裂化现象形成的机理进行了探索,得到了一些有益的结论。在现场观测到了分区破裂化现象,从试验上再现了分区破裂化现象的一些主要特点,在数值模拟方面能够定性地模拟这一现象。但还有很多问题没有解决,包括岩体的力学性质及结构特性对于分区破裂化现象时间演化过程的影响、分区破裂化现象与受损岩石变形增量变符号现象之间的关系、岩爆与分区破裂化现象之间的关系问题等。

岩石等脆性材料动力强度依赖应变率的物理机制

脆性材料,如岩石,其动力强度随应变率的变化特性以往大多局限于实验研究,而理论研究,特别是从低应变率区到高应变率区的系统的物理机制研究很少。基于现有的研究资料,对不同应变率区的材料强度的应变率依赖性机理及其转换进行了探讨。分析表明,在小应变率的范围内,材料强度-应变率依赖性受热活化机制控制;随着应变率进一步增加,材料的宏观粘性阻尼机制(声子阻尼)出现,并逐渐占据主导地位,材料的惯性影响逐渐明显;在高应变率区时,材料惯性的影响非常大,这时不同尺寸的缺陷的增长将同时启动,在材料没有缺陷的地方热活化机制引起原子键的断裂。这样可以把材料强度-应变率依赖性看作是热活化机制与宏观粘性机制并行存在、相互竞争的结果。这两种机制在不同的应变率区占据主导地位。基于上述结论,给出了联合的热活化与粘性机制相互竞争的材料强度-应变率依赖模型,并对该模型的有效性对照实验资料进行了检验,结果表明,与实验符合得很好。

材料时间性破坏准则及其内在联系

经典强度理论的进一步发展为材料变形及破坏的时间因素的引入。时间因素的引人加深了人们对于材料变形及破坏现象的认识,使时间因素显现出来,成为决定性因素之一。本文就若干时间性破坏准则进行了探讨,并发现它们之间存在着内在联系,也即它们都是在外载作用下内部构造动力变化的不同的宏观描述。并对这些时间性破坏准则在实践中使用的优先次序给出了建议。

深部隧道围岩分区破裂的内变量梯度塑性模型

在变形进入到塑性阶段之后,隧道岩体中会产生显著的能量耗散和自我组织现象,岩体粒子之间的长程相互作用明显。为此需要在岩体模型中加入内变量梯度项。作为额外的内变量,引入有效塑性应变梯度这一新变量。利用虚功原理得到岩体的平衡方程、边界条件。利用Clausius-Duhem不等式获得岩体内变量演化方程。对于圆形深部隧道,由上述理论得到有效塑性应变的支配方程和边界条件,并利用岩体理想脆性模型求得支配方程的解。该解能够描述深部隧道围岩的分区破裂现象。

关于地质材料内部构造层次的若干模型

材料的内部结构对于材料的宏观行为有显著的影响。同时外部作用也会对于材料的内部结构产生影响,在岩石及岩体的破坏过程中也会形成新的结构,并进而对于材料的宏观行为产生影响。因此在研究地质材料的变形与破坏时必须考虑其内部构造。本文对这方面的某些模型进行了回顾,并对需要研究的问题作一些的展望。

岩体的构造层次粘性及动力强度

岩体具有复杂的构造层次,这种构造层次可以从原子尺度水平一直延伸到地质构造水平。这种情况使连续介质力学中使用的基本体元的概念及圣维南变形协调条件受到了置疑。内部构造层次影响岩体的粘性及动力强度。但到目前为止还没有看到连接微细宏观层次上粘性及动力强度的研究。基于已有的资料及物理力学理论对材料的粘性及构造层次之问的关系进行了系统研究。由研究可以看出，不同的构造层次对应着不同的强度、粘性及应变率。宏观层次通常对应着低的强度、低的应变率及高的粘性系数，而微细观层次对应着高的强度、高的应变率及低的粘性系数。通常随着外载的增加，变形速度的增大，发生变形与破坏的层次逐渐由宏观经由细观逐步向微观层次过渡，动力强度增加，粘性系数逐渐降低。在中高应变速率区，岩石的强度增加很大，而粘性与变形速率成反比。因此，强度及粘性系数对于一种介质来讲不是常数，而是在不同的构造层次上具有不同的大小。表现在破坏块体的尺寸上，最小的破坏尺寸与所能达到的强度有直接的关系。通过不同层次上岩体的力学行为的分析，建议了强度、粘性对于构造层次及应变率的依赖关系及岩体破坏块体尺寸的确定公式。

深隧道围岩分区破裂的数学模拟

该研究为先前深隧道围岩分区破裂现象内变量梯度塑性模型的进一步发展。利用应变梯度模型研究了深隧道围岩的分区破裂现象。作为额外的状态变量,在此引入应变梯度这一新变量。利用虚功原理得到了深隧道围岩的平衡方程、边界条件和流动准则,利用Clausius-Duhem不等式获得了岩体的本构方程。对于圆形深隧道,由上述模型的一般方程得到了弹性变形情况下、具有下降段的弹塑性变形情况下和不考虑弹性变形的塑性变形情况下圆形深隧道围岩的支配方程,得到了解析解,并讨论了解析解的性质。这一模型不仅扩展了隧道围岩的经典弹塑性模型,也为下一步数值研究深隧道围岩的分区破裂现象奠定了理论基础。

核电站抗震研究综述

核电站抗震性一直是核电站设计的主要问题之一．随着此问题各方面研究的深人和研究手段的进步，核电站的抗震计算理论也在不断发展．本文试图根据已有的资料，在核电站抗震问题的一些主要方面（地震输入参数的确定，抗震计算理论，结构与地基的相互作用，逐层加速度谱及反应谱的确定，建筑物及设备的抗震计算，地基、基础及地下建筑的抗震计算等）研究状况作一些综述，并在此基础上展望一下需要解决的问题．