多功能地质力学模型试验系统的设计

根据地质力学模型试验的特点,研制了具有多功能的新型地质力学模型试验系统,该系统包括地址力学模型试验台、运动装置、集成装置、控制装置以及量测装置等,该系统通过PLC控制系统可以实现模型试验的挖掘、排屑、支护和监测等工作,并在PLC控制中内置PID控制,通过PID算法来达到精准控制位移变化,提高试验的精准度。通过ANSYS分析了试验台强度,并找出最大应力与最大位移出现的位置,证明了试验台框架结构满足强度要求。

红外热成像技术在地质力学模型试验中的应用研究

目前地质力学模型试验的量测方法主要为电子量测、光纤光栅量测等接触式量测方式,而接触式量测设备在布置过程中都会对模型结构造成一定影响。为探究从能量角度分析地质力学模型试验的可能性,实现试验过程中非接触、具象化量测的目的,在胶凝砂砾石坝地质力学模型试验中,采用红外热成像实时量测技术对模型超载破坏试验进行量测研究。研究结果表明:(1)模型地基中结构面在外荷载作用下发生挤压、错动时,会导致其局部温度上升。因此模型热成像的对比度及材料温度变化值,可作为判别大坝失稳的依据。(2)在模型材料破坏试验中,通过热成像仪得到材料破坏的温度变化值ΔT在1.2~1.8℃范围内,破坏区域出现明显温度变化,从试验现场和红外图像上均可发现明显异常,并以此提出基于热成像试验的破坏判据。(3)当模型试验超载至超载安全系数K p=6.6时,其热像图中地基各结构面贯通区域温度变化值均达到破坏阈值,此时试验大坝发生滑移翻转的失稳破坏。利用红外热成像技术可以对模型结构的表面温度开展有效、实时且准确的监测,为后续的地质力学模型试验开展提供新的量测手段和分析角度。

深部巷道围岩分区破裂三维地质力学模型试验研究

为模拟分区破裂的产生条件和破裂机制,以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,通过相似材料三维地质力学模型试验再现深部巷道围岩分区破裂的形成过程,通过多种测试手段获得巷道围岩内部的应变和位移呈现波峰和波谷间隔分布的波浪形变化规律,从巷道围岩的破裂现象及其应变和位移的变化规律,有效揭示深部巷道围岩分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究深部巷道围岩的非线性变形破坏机制奠定坚实的试验基础。

三峡库区千将坪滑坡地质力学模型试验研究

通过以微震和百分表位移为主要试验量测手段的地质力学模型试验,对三峡库区千将坪滑坡进行滑坡机制和利用微地震监测预报预警岩质滑坡的可行性研究。试验结果表明,蓄水前的强降雨对滑坡稳定性影响微弱或基本无影响,水库蓄水引起的浮托力作用仅使滑坡产生蠕滑变形,滑带被水浸泡弱化强度降低是滑坡真正的致滑原因。试验记录的微震事件较清晰地反映滑坡变形破裂破坏过程,并揭示滑带破裂贯通总体上具有自滑坡前缘逐步向滑坡中部发展的规律,从试验角度论证利用微地震监测预报预警岩质滑坡的可行性。

高拱坝整体稳定地质力学模型试验研究

在保证大坝稳定设计时 ,除了数值模拟方法外 ,对高坝还应当进行地质力学模型试验。本文叙述了地质力学模型试验的工程意义 ,列举了多个地质力学模型试验实例 ,并对试验方法及安全系数做了分析。

大型分岔隧道围岩稳定与支护三维地质力学模型试验研究

分岔式隧道是一种新型隧道结构型式,目前尚无相应的设计、施工技术规范和标准可循,为了解这种新型隧道结构的应力和变形状况,采用三维地质力学模型试验方法对目前在建的沪蓉西高速公路大型分岔隧道进行研究。试验成果有效地揭示分岔隧道洞周的应力、位移变化规律和分岔隧道围岩的破坏机制,获得分岔隧道的设计和极限承载安全度,为分岔隧道的优化设计和施工提供了有工程指导意义的建议和结论。

深部厚顶煤巷道大型地质力学模型试验系统研制与应用

为研究深部厚顶煤巷道围岩应力演化规律与变形特征,研制了大型地质力学模型试验系统。该系统由反力装置、柔性均布压力加载装置、数字智能液压控制系统和高精度多元实时监测系统组成,具有可自由拼装、模拟空间大、荷载集度高、边界加载均匀和模拟精度高等特点。以赵楼煤矿3302工作面运输巷为工程背景,通过大量的相似材料配比及力学参数测试,确定了两种不同系列的材料分别模拟砂岩和煤层;设计制作了预应力锚杆(索)、箱型支护梁、钢带及托盘等相似构件;对让压型锚索箱梁支护系统进行了大比尺模型试验研究,得到了深部厚顶煤巷道开挖支护过程中的围岩内部应力演化与变形规律。结果表明,该系统能够较好地进行深井煤巷及其他大型地下硐室开挖支护全过程的模型试验研究。

新型组合式三维地质力学模型试验台架装置的研制及应用

根据岩体地质力学模型试验的特点,研制出一种新型组合式三维地质力学模型试验台架装置。该装置主要由台架体和台架底盘组成,其中台架体由盒式铸钢构件通过高强度螺栓连接组合而成,台架底盘由带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。通过底盘高强螺栓可将台架体与台架底盘在所要求的螺栓槽位固定,形成组合式三维地质力学模型试验台架装置。该装置在一大型分岔隧道三维地质力学模型试验中的具体应用结果表明,其具有结构新颖、刚度大、整体稳定性好、组装灵活方便、尺寸可任意调整并能满足不同规模模型试验要求的显著技术优势。

高地应力深部巷道开挖锚固特性的三维地质力学模型试验研究

为研究锚固支护条件下深部巷道围岩是否产生分区破裂以及岩锚支护对分区破裂的影响,以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,进行了锚固支护条件下高地应力深部巷道开挖三维地质力学模型试验。通过模型试验发现围岩应变呈现波浪形变化规律以及洞周锚杆受力出现拉压交替变化现象。通过与未加锚支护模型试验结果的对比,揭示锚杆对抑制巷道围岩分区破裂具有重要的作用,这为深入分析深部巷道开挖锚固特性和优化深部巷道支护设计奠定了坚实的试验基础。

饱水黄土基底排土场地质力学模型试验研究

为了揭示排土场边坡的变形机理和潜在病害的发展规律,采用地质力学模型试验方法,以黑岱沟露天矿黄土基底排土场作为研究背景,完成了分级填筑模拟排土边坡增高过程,并进行了地下水入渗基底软弱黄土层的模拟试验。介绍了饱水黄土基底排土场的相似物理模拟方法,采用底部注水的方式模拟地下水入渗基底软弱黄土层对边坡稳定性的影响,研究了分级填筑、软弱基底以及饱水条件下黄土基底排土场边坡裂缝开展和发育特征以及边坡破裂面的空间形态特点。研究表明,随着排土高度的增加,主要变形由淤泥质黄土上部坡体向临空方向的压剪变形为主,逐渐转变为天然黄土上方坡体竖向沉降为主,并且黄土基底含水量的持续增加会直接引起边坡的破坏失稳,变形模式为后缘依附淤泥质黄土与天然黄土(水坑边缘)分界面的整体滑动。

突变理论在地质力学模型试验失稳判据中的应用

地质力学模型试验是研究高坝工程稳定安全性的重要方法之一,如何较准确的通过测试结果建立大坝失稳判据,判断坝与地基的失稳破坏过程,得到综合稳定安全系数,是地质力学模型试验的关键技术问题。本文由突变理论及其相关性质,选用较为成熟的尖点突变模型及其标准势函数公式,推导出相应的失稳突变判别式,建立基于尖点突变理论的失稳判据,并通过相关算例进行有限元分析,依据计算成果的变位–超载系数关系,提出超载安全系数,并与有限元塑性区贯通、计算不收敛等失稳判据对比分析,印证尖点突变模型失稳判据的可靠性和适用性。再将其应用于丹巴水电站地质力学模型试验中,试验结果给出了闸坝在正常蓄水位和降强之后超载作用下的位移场,获得了闸坝的变形及分布特征,揭示了裂缝发展的全过程及其破坏机制,得到降强系数为1.18,超载系数为1.8~2.0,确定了闸坝整体稳定安全系数为2.12~2.36。根据尖点突变理论,由试验测试成果建立相关失稳判据,据此提出破坏过程及综合稳定安全系数,并与常规地质力学模型试验分析成果进行对比,分析结果验证了基于地质力学模型试验测试成果的尖点突变模型失稳判据的合理性。

组合式地质力学模型试验系统及其在分岔隧道工程中的应用

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法。地质模型是客观物理实体的再现,在满足相似原理的条件下,能够真实反映岩土介质的基本力学变形特性。要进行模型试验,就必须有相应的模型试验装置。根据地质力学模型试验的特点,本文研制出一种能实施同步非均匀加载的组合式地质力学模型试验系统。该系统主要由盒式台架装置、变荷加载板和液压加载控制试验台组成,其具有尺寸可调、加载规模大、持荷稳定的显著优点。应用该系统对一大型分岔隧道工程进行了三维地质力学模型试验研究,有效揭示了分岔隧道围岩位移场、应力场的变化规律和岩锚支护效应。

杨房沟拱坝整体稳定性的三维非线性有限元分析与地质力学模型试验研究

保证拱坝的整体稳定是拱坝设计和建设的重要问题。拱坝整体稳定性问题是一个涉及非均匀性、多裂隙介质、不可逆内部损伤演化的三维非线性问题。非线性有限元和地质力学模型试验是研究这类问题的最主要方法。通过三维非线性有限元(TFINE程序)对杨房沟拱坝-地基进行三维数值模拟,并采用200∶1的模型比例尺对杨房沟拱坝-地基进行三维地质力学模型试验。分别根据数值模拟和模型试验的结果对拱坝的位移和应力分布规律,破坏机理和整体稳定性进行分析。两者结果吻合较好。通过综合数值模拟和模型试验的分析结果对拱坝的整体稳定性做出评价,给出坝肩岩体相对薄弱的部位,并对拱坝设计和地基处理提出建议。

地质力学模型试验技术研究及工程应用

针对在地质力学模型试验研究过程中存在的岩体材料相似模拟以及结构面相对位移测试问题,首先开展了不同性能岩体变形特性的相似模拟研究,试验结果确定了配制岩体模型材料的成分及其制备方法,得到了水泥、石蜡和机油是影响高、中、低性能岩体模型材料变形特性的控制性因素,提出了不同变模岩体材料采用不同尺寸的模型小块体进行精细化模拟。同时,采用应变测试技术,研制了用于获取结构面相对位移的测试仪器,测试时,用应变仪记录不同加载条件下相应测点的应变变化过程,再由埋设之前标定得到了位移和应变系数,即可得出位移变化过程。上述研究成果在小湾拱坝模型试验中的应用表明,所制备的模型材料以及结构面相对位移测试技术是满足模型试验要求的。

新型岩土地质力学模型试验系统的研制及应用

根据地质力学模型试验的特点,研制出一种新型岩土地质力学模型试验系统,该系统主要由盒式台架装置、带扁千斤顶的变荷加载板、液压加载控制试验台组成。其中盒式台架装置用于容纳试验模型并作为加载反力装置,带扁千斤顶的变荷加载板用于给试验模型施加非均布荷载,液压加载控制试验台用于试验模型的自动加压与稳压。该系统具有规模大、整体稳定性好、尺寸可调、能进行同步非均匀加载,并具有加荷高、升压快速、持荷稳定的优点。将该系统应用于某一高速公路大型分岔隧道的三维地质力学模型试验研究,试验结果有效指导和优化了工程的设计和施工。

地质力学模型试验中变温相似材料的温度特性研究

在采用变温相似材料的地质力学模型试验中，材料的力学指标及热物理性质随材料的温度变化而发生了变化，它对试验结果的影响程度将决定着试验结果的可靠性。运用模型试验和数值分析等手段，对材料的温度变化特性进行了研究，论证了材料的温度特性对试验结果影响程度为：对位移的影响程度约为6％，对应力的影响程度约为-6％～9％，提出了变温相似材料的温度适用范围为75℃内。

深埋长隧洞三维地质力学模型试验研究

为了评价深埋长隧洞围岩的稳定性和隧洞间距的合理性,本文采用三维地质力学模型试验技术,研究在高地应力、高外水压力作用下,隧洞围岩整体稳定性以及相邻洞室开挖的相互影响效应,并与三维弹塑性有限元数值计算结果进行对比验证,研究结果表明:地质力学模型试验成果和数值计算结果基本一致,两者得到的位移场、应力场、屈服区范围都基本吻合。在高地应力、高外水压力作用下,工程所在的Ⅲ类围岩隧洞是可以安全成洞的。采用超载法进行试验和计算可知,在Ⅲ类围岩中极限超载安全系数k>1.3,开挖隧洞对洞周围岩的位移与应力影响区一般小于1倍洞径范围,隧洞的间距是合适的。

三维地质力学模型试验中光纤传感器的应用研究

近年来，在地下结构三维地质力学模型试验的研究中。多项新技术得到应用和开发，其中也包括采用光纤传感器量测模型材料中的应变和变形，这使模型试验上了一个新台阶。采用光纤传感器量测。对于地质力学模型试验来说还是一项新技术。该文结合在一个大比尺的地质力学模型试验中采用光纤传感器的经验，对它的实际应用及埋设方法做了进一步的探讨和设想。

变温相似材料在地质力学模型试验中附加温度场的影响程度评价

应用ANSYS非线性结构分析原理和热分析及热-结构耦合分析原理,根据变温相似材料的力学参数及热物理参数进行结构分析和热-结构耦合分析,计算由于热膨胀或收缩引起的热应力,同时对热-结构耦合分析的成果与非线性结构分析的结果进行对比,得到了由于温度变化而在模型内部产生的附加温度场对试验成果中位移的影响程度约为6%,应力的影响程度约为-6%～9%,从而证明了试验结果的可靠性。

基于神经网络的直接线性变换在地质力学模型试验中的应用

三维地质力学模型的变形数据主要由岩体内部变形和收敛变形两部分构成。寻找满足高精度位移测量的收敛变形观测方法已成为三维地质力学模型试验数据采集的重要研究方向。修正了传统的数码相机摄影测量基于图像坐标变换的计算思路,改善了试验中5×5小模板作业方式,采用大模板标准点布设方案和标志点相邻坐标数据点的选择方法,有效地减小了镜头畸变对标准点、标志点的影响。基于BP神经网络的直接线性变换原理进行了图像间的坐标识别和试验阶段测量观测点的坐标比较,实现了三维地质力学模型的收敛变形观测。将数码相机数字近景摄影方法应用于某大型分岔隧道的三维地质力学模型试验研究,取得了满意的研究成果。