静应力下结构面扰动变形破坏过程试验研究

结构面的剪切变形特性通常决定着围岩体的整体稳定性。为探究结构面的扰动剪切失稳特性,采用不同起伏角度及材料的对称规则齿形结构面试件,开展一定初始静应力下的扰动失稳试验。根据工程现场易获取的基本参数,如峰值剪切强度和峰值剪切位移,将结构面分为低强低脆高延性、高强高脆高延性、高强高脆低延性3种类型,相较于准静态荷载工况,扰动工况下含齿结构面的峰值剪切强度均降低明显,但峰值剪切位移相差不大。低强低脆高延性结构面在不同应力路径下均无明显应力降,为不易致灾的类型;高强高脆低延性结构面的峰值强度高,累积不可逆位移量小,峰后跌落大,较高延性结构面更易导致失稳。

低速冲击条件下散体颗粒消波变形特性试验研究

为揭示水环境对地下防护结构分配层消波能力的影响规律,通过低速冲击试验研究了砂土和空壳颗粒两种散体材料的消波特性,得到了干燥/饱和、排水/不排水、密实/松散等工况下散体颗粒材料中的应力和变形的规律。结果表明,孔隙水对散体材料消波能力的发挥十分不利,不排水松散工况下砂土材料的消波能力仅为干燥工况下的12.0%;空壳颗粒的消波能力显著优于砂土,在干燥松散、不排水松散、不排水密实和排水松散工况下,空壳颗粒试样的底端应力分别为砂土材料对应工况的59.2%、70.8%、30.7%和36.1%;空壳颗粒在冲击过程中能够更好地保持可压缩性,不排水松散工况下传统消波材料的锁定应变仅为6.1%,而空壳颗粒锁定应变可达42.2%,同时锁变模量仅为砂土的28.5%。试验结果可为解决防护工程消波层水害问题提供思路和参考。

爆炸地震波作用下深埋圆形隧道的动力响应分析

深地下结构在爆炸地震波作用下的动力响应是防护工程设计和评估的重要问题,发展适应深部特点的快速计算方法具有重要意义。采用集中质量方法将圆形隧道离散为有限自由度体系,并将爆炸地震波的作用看作一系列作用在集中质量上的动力,利用局部变形理论将围岩的弹性抗力简化为弹性链杆,采用矩阵力法考虑结构在各种内力作用下产生的自身变形和弹性半空间的变形,并据此建立结构动力方程矩阵。通过对结构动力方程的求解,可以得到结构的动力集中系数和结构内力、弯矩、位移等参数。采用所提出的方法计算一个算例,分析围岩等级、荷载作用位置、正压作用时间以及入射波角度等因素对隧道衬砌结构动力响应的影响。

动态规划法求解边坡安全系数最小上限解

基于Sarma法的基本假设,将滑体划分为若干斜条块,由条块力的平衡条件得到条块间推力递推方程。根据推力最大原理,将寻求安全系数最小问题转化为寻求剩余推力最大问题。采用动态规划方法,将斜条块划分问题转化为多阶段决策问题。给出了基于条间推力递推方程的最优决策方法和步骤,对边坡斜条块划分组合进行了优化,找到剩余推力最大的划分组合。由于Sarma法本身是上限解,因此优化得到安全系数本质上是最小上限解。计算结果表明:利用动态规划方法搜索的最优斜条块划分组合,可以充分接近塑性力学解,安全系数一般大于并接近基于垂直条块的严格极限平衡条分法的安全系数。

深部非均匀岩体卸载拉裂的时间效应和主要影响因素

深部地下工程围岩的拉伸破坏是一个常见的但没有得到充分研究的科学现象。岩石内部包含的缺陷和缺陷处的应力集中被认为与岩石在压应力作用下的拉伸破坏密切相关。基于应力集中的非均匀岩石拉伸破坏模型的理论框架,系统的研究3个影响岩石拉伸破坏的主要因素:加卸载速率(偏应变率)、缺陷尺度和初始地应力,对岩石内部缺陷处拉应力的产生和发展过程的影响。研究表明:(1)偏应变速率对缺陷处附加拉应力具有显著的影响,偏应变率越高,缺陷处的附加拉应力越大;(2)不同层次的缺陷对应于不同大小的偏应变率,偏应变率越高,对应缺陷的尺寸就越小;(3)缺陷处的附加拉应力与初始应力成正比,缺陷较大时,岩体是否发生卸载破坏由初始应力、应力集中系数和抗拉强度间的关系决定。引用模拟试验和现场观测的结果和现象对理论分析结果进行讨论,试验现象和现场观测数据均与理论分析基本吻合。

直墙拱顶地下结构受爆炸地震波作用的动力响应

研究有弹性垫层的地下直墙拱顶结构在爆炸地震波作用下动力响应,采用共同变形理论及矩阵力法考虑衬砌与围岩的相互作用建立爆炸地震波作用的地下防护结构动力响应快速计算方法。分析围岩等级、垫层参数及荷载作用形式等对典型直墙圆拱结构动力响应影响。结果表明,围岩等级对结构动力响应具有显著影响,围岩质量越好结构位移、内力越小;垫层有延迟响应、降低响应峰值作用,荷载作用形式也有一定影响。

岩土介质中圆形隧洞围岩压力理论分析进展

无限岩土介质中静水压力作用下圆形隧洞围岩的应力位移分析是地下工程的一个经典问题。文章以材料模型为主线,结合不同的屈服准则和塑性流动法则,对近年来求解该问题解析解或闭合解的文献和取得的成果进行了系统的归纳总结和评述;重点介绍了常见的弹性-理想塑性模型、弹-脆-塑性模型和弹性-应变软化模型及其结合Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则得到的主要分析结果;同时介绍了弹-塑-脆-塑性模型、黏弹性模型等材料模型的最新研究进展。

深埋隧洞卸荷过程中围岩应力变形的时间效应

深埋圆形隧洞围岩的应力应变状态是深地下工程设计的重要参考依据。针对岩体内部的缺陷引起的应力集中和松弛,建立了局部附加应力与缺陷尺度和卸载时间之间的联系,得到圆形隧洞在卸载时围岩破坏前遵循的一系列方程,进而推导出围岩变形的解析积分表达式。将围岩应力应变的时间效应分为卸载阶段和应力松弛阶段,通过逐步逼近法分别求解了围岩的应力和变形的近似解析表达式。该近似解析式考虑了岩体内部缺陷处应力集中的影响和卸载的时间效应,可用来考察不同半径处缺陷应力集中和卸载快慢对应力变形状态的影响。计算表明,围岩内部在卸载过程中和卸载完成后均存在局部附加拉应力集中,围岩变形在卸载完成后仍会进一步增加。

牛顿法计算Sarma法边坡安全系数

根据Sarma法的基本假定即条块侧面与底面抗剪强度按同一比例调用，将斜条块侧面的推力分解为分别与摩擦力和凝聚力有关的2个分量，由条块力的平衡条件，推导出更为简洁的隐含安全系数的条块推力递推方程。为了加速收敛，采用牛顿法迭代法计算安全系数，并推导出计算中所需有关导数的解析表达式。同时，利用所得推力递推方程重新推导出了临界地震加速度系数Ke的显式表达式，该式与原始的Sarma法等效，但形式上更为简明且便于应用。算例表明，本文的改进的Sarma法算法收敛迅速，迭代3～5步即可达到工程所需精度，计算结果与经典算例Sarma法解答及塑性力学理论解均非常接近。

钻地武器的毁伤效应及深地下防护工程关键科学问题

防护工程是国防威慑力量的重要组成部分，具有重要的战略地位。美俄等军事大国大力发展的深钻地（核）武器已经对我国重要防护工程的生存造成了严重的威胁。本文总结了外军现役钻地（核）武器的性能指标与发展前景，对钻地武器的毁伤效应进行了评估和分析，综述了侵彻效应、爆炸成坑效应、爆炸地冲击效应等方面的研究成果。针对新时期的主要威胁，简述了提高防护工程防护能力的主要措施和技术途径，提出了主被动结合的综合防护体系、深部非线性岩体力学、摆型波与超低摩擦现象、多弹聚集打击效应等目前亟需开展研究的关键科学问题。

温压武器的原理及其发展现状

温压武器亦称温压弹,指采用温压炸药的弹药。温压弹主要利用温度和压力效应产生杀伤效果,引爆后发生剧烈燃烧,大量辐射热量,产生高压冲击波,高热和冲击波无孔不入。这种独特的杀伤效应是传统弹药难以比拟的,特别适合于杀伤封闭空间内的敌人。温压武器的产生和发展对防护结构提出了新的要求。

加筋土边坡稳定性分析的水平条分法

加筋土是一种新型的经济可靠的边坡加固方式。针对新型加筋土边坡带来的问题和基于垂直条块划分的极限平衡方法的不足,提出了一种严格满足力与力矩的平衡的极限平衡分析方法。基于水平条块的严格条分法将滑体水平的划分成若干条块,边坡中的加筋材料产生的抗力作为附加外力作用于条块上,再应用极限平衡的思想和假设对典型条块的受力状态进行分析。根据极限平衡条件推导了边坡安全系数的隐式表达式,再通过力矩的平衡,求解条间力待定系数,进而叠代求解安全系数。说明了利用本文公式计算坡顶极限承载力的方法。该方法计算结果较经典极限平衡法结果稍大。

沥青混合料诸参数对性能指标影响的数学建模

为提高沥青路面的使用性能,依据全国第四届研究生数学建模竞赛C题提供的数据,采用灰关联分析、回归分析及F检验方法对沥青混合料诸多参数与路面性能指标之间的关系进行了详细分析,建立了描述路面抗水损害性能、高温性能、低温性能的三类4个性能指标和影响路面性能的沥青混合料诸参数之间关系的数学模型。该数学模型在对大量试验数据进行处理后,准确地从诸多影响因素中找到了影响沥青路面各类性能的主要参数。结果与相关领域研究成果一致,具有很强的实用性。

应变率对红砂岩渐进破坏过程和特征应力的影响

为了深入研究脆性岩石的渐进破坏过程,利用RMT-150C型岩石力学试验系统对产自鲁南地区的一种红砂岩进行了系统的力学性质试验研究,得出该类型砂岩试样在不同应变率条件下的力学表现。将试件的渐进破坏过程通过特征应力分为裂纹闭合阶段、线弹性变形阶段、裂纹起裂和稳定扩展阶段以及裂纹不稳定扩展阶段,通过对应力-应变曲线、轴向变形刚度、体积应变曲线和裂纹体积应变等数据的分析,以及采用动点回归技术确定了试样的起裂应力和致损应力,并进一步研究了该类红砂岩的渐进破坏过程及红砂岩峰值强度、起裂应力等参数和应变率之间的关系。试验结果表明,随着应变率的增加,红砂岩试样的峰值强度先降低后提高,起裂应力及致损应力与峰值强度的比值均有所降低。分析了红砂岩峰值强度变化的物理机制并给出了解释,研究了应变率对红砂岩渐进破坏过程的影响。

岩石的劈裂和卸载破坏机制

概括含缺陷的岩体结构模型,并利用其研究岩石在加载和卸载时内部出现的拉应力及其对岩石破坏模式的影响。为模拟深部岩体的赋存环境,研究3种受力条件下的岩石应力状态:单轴无侧限压缩、具有初始静水压力时的加载和初始静水压力作用下岩石的卸载。分析表明,无论是加载还是卸载,岩体中均将出现局部拉应力。在加载情况下,岩体中出现的拉应力有可能导致平行于加载方向的劈裂;而在卸载情况下,岩石中将在缺陷处形成平行于卸载方向的拉应力。岩石中出现的拉应力主要与岩体内缺陷的物理参数、初始应力大小和卸载速率有关。对卸载时初始应力和卸载速率对缺陷应力集中的影响进行分析,结果表明:卸载速率越快,缺陷处的应力集中越大,若缺陷尺寸较大,岩体中的局部拉应力和初始应力近似成正比。根据得到的局部应力表达式,在深地下工程中,快速卸载将必然导致岩体的拉伸破坏。

深部巷道围岩变形破坏机制分析

采用弹脆性本构模型以及滑移破坏理论,对深部围岩应力分布以及变形破坏机制进行分析。计算结果表明,开挖卸荷将引起剪应力的增长,滑移剪切变形的发展将围岩划分成具有一定尺度的块体(或条带),它们之间的相互摩擦决定着残余强度的大小;在各向不均匀压缩的作用下,深部围岩能够产生区域拉伸破碎,使围岩开挖断面监测到的位移大大超出按连续介质理论计算得到的数值。采用考虑扩容的计算模型可以得到围岩产生区域拉伸破碎的条件,计算得到的该条件与岩体力学性质以及破碎尺度密切相关。

南京地铁越江隧道盾构开挖面失稳因素的定量分析

文章通过对造成盾构施工中开挖面失稳风险因素的系统分析,认为造成开挖面沉降过大或坍塌失稳的主要原因是泥水压力偏离实际的侧向静止水土压力过大。针对这个问题,引入了极限应力支护比的概念,并给出了失稳判据,定量地描述各影响因素对开挖面稳定性的影响情况。以南京地铁10号线越江隧道为工程实例,采用岩土工程常用的Mohr-Coulomb模型,运用三维数值分析方法,主要研究分析了埋深、江水深度、土体参数(粘聚力、内摩擦角)对开挖面稳定性的影响,以及考虑无江水覆盖情况下改变为地下水头高度的影响。

裂隙岩体逾渗模型中渗透概率递推矩阵

用二维座逾渗模型描述裂隙岩体的渗透问题,将岩体划分为众多单元网格,每个单元赋与一定的渗透概率,提出一种解析方法计算裂隙岩体的渗透概率。建立多单元网格渗透概率递推矩阵的概念,并根据相邻列单元渗透递推关系,推导出3×n及4×n型单元网格的渗透概率递推矩阵;应用渗透概率递推矩阵可以计算任意列数单元网格的渗透概率。基于渗透概率递推矩阵,推导出3×3及4×4型单元网格的渗透概率解析表达式,并应用重整化群方法分别计算出基于2×2,3×3及4×4型基元的临界渗透概率,并与Monte Carlo法结果进行比较,分析重整化群化误差产生的原因。

深部围岩变形与破坏模型及数值方法研究

为很好地描述岩石的剪切变形局部化现象,给出一个非连续平面应变弹塑性模型。这个模型以经典滑移线理论为框架,采用光滑函数组合描述位移场在滑移线上的间断;其控制方程是在局部正交曲线坐标系下由物理定律推导得出。材料的变形被划分为3个阶段:弹性、塑性及峰后局部剪切阶段。材料在滑移线上服从库仑强度准则。峰后在滑移线上出现断裂,材料初始黏聚力线性减小并最终消失。对模型进行有限元离散,并用Newmark法求解。采用Fortran语言编写代码并做一个简单算例。与传统连续介质模型比较,该模型中材料的应变、应力均不对称,材料的塑性行为、能量耗散与间断界面的变形运动密切相关。非连续模型能够深刻地描述深部围岩峰后剪切变形局部化现象。

基于改进的一次二阶矩失效概率计算方法的深部盐岩地下储气库片帮风险模型及其应用

片帮破坏是深埋盐岩地下储气库主要破坏模式之一,为研究盐岩地下储气库片帮风险等级,基于改进的一次二阶矩法失效概率计算方法,依据已有的破坏准则确立盐岩片帮的功能函数,建立盐岩地下储气库片帮风险失效概率计算模型,通过ABAQUS的UVARM模块对该模型进行二次开发,并在江苏金坛盐岩地下储气库进行应用。通过对金坛储气库单腔低压多腔运营时一腔失压的片帮风险概率计算,结果表明,运营气压高于6 MPa时失效概率可达地下储气库安全要求,矿柱间距大于1.5倍洞径时某腔失压对其它储腔造成的风险很小,计算结果与金坛储气库实际情况相符,表明该方法具有一定的实际应用价值。