地铁列车荷载作用下隧道周围土体的临界动应力比和动应变分析

通过南京地铁三山街站隧道周围淤泥质粉质粘土进行应力控制的循环三轴试验,研究了列车循环荷载作用下淤泥质粉质粘土的动应变发展情况,充分考虑了土体固结状态、固结比、轴向循环压力的大小及频率对动应变的影响。得到了淤泥质粉质粘土的临界动应力比和动应变随振动次数、加载频率和围压及固结状态而变化的规律,对地铁隧道的设计具有重要参考价值。

黄土在地铁列车荷载作用下的临界动应力比及动应变发展模型的试验研究

以黄土地区地铁项目为研究背景,利用20kN电液伺服控制动三轴试验机,对地铁列车荷载长期循环作用下不同类型黄土的动变形分别进行了试验研究,得到了不同类型黄土累积塑性变形的发展规律,提出了确定黄土临界动应力比的新方法,确定了不同类型黄土动应变发展的模型.研究结果表明：干型黄土的临界动应力比大于0.6,湿型黄土的临界动应力比为0.45-0.49,饱和型黄土则为0.22-0.24;拓展的Langmuir模型和经典Freundlich模型分别对于稳定型和破坏型黄土动变形发展的回归分析是有效的,反映了黄土在地铁列车荷载作用下的动变形特性.

CAP1400核主泵叶轮动应力计算及疲劳寿命预测

为实现核主泵叶轮疲劳寿命预测,考虑叶轮高温高压的恶劣运行工况建立流-热-固耦合计算模型,应用ANSYS CFX软件对核主泵叶轮内部流动的压力载荷和温度载荷进行非定常数值计算,在ANSYS Workbench中实现载荷向结构的传递,并对叶轮动力响应疲劳载荷开展研究.利用雨流计数法对叶片危险部位的载荷数据进行统计分析,进一步结合Palmgren-Miner理论对核主泵叶轮的最小疲劳寿命周期进行预测.研究结果表明:叶轮在旋转过程中承受周期性交变应力的作用;叶轮叶片进、出口边与前、后盖板交接处容易发生内部应力集中,最大应力出现在叶片出口边与前盖板交接处,为142.57 MPa;叶片各危险部位承受应力波峰和波谷的时间基本一致;叶轮产生的疲劳为应力疲劳,疲劳破坏首先发生在叶片进口边与后盖板交接处;计算得到叶轮的疲劳寿命为277.94 a.研究结果可为叶轮的动态强度优化和疲劳设计提供一定参考.

冲击地压矿井充填工作面超前采动应力对充填体充实率的反馈机制

高应力是深部矿井冲击地压灾变频率走高的主要原因,充填开采则是控制岩层运动,缓解采动应力集中程度,降低围岩破坏和冲击风险的有效手段。为研究采空区充填体对超前采动应力的控制能力,以山东古城煤矿1123充填工作面为工程背景,采用理论分析、室内试验、现场实测手段探究充填开采工作面采动应力分布规律,揭示超前采动应力对充填体充实率的反馈机制,指导冲击地压矿井充实率确定。结果表明:工作面开采初期充填体充实率低于80%,坚硬顶板下沉量大,超前采动影响范围大于30 m,应力集中系数达到1.5,断层影响区采动应力影响范围和集中系数分别增至60 m和1.65,片帮冒顶等围岩失稳现象增多;实测了采空区充填体承载应力全程动态演化特征,承载应力分布曲线划分为“快速降低—短暂稳定—快速升高—缓慢降低—二次稳定”5个阶段,低充实率条件下采空区上、中、下3个区域承载应力稳定值分别为1.9、5.2、2.8 MPa;将采空区充填体划分为非充分压实区和充分压实区,构建了充填体支撑作用下坚硬顶板连续沉降模型,得到了坚硬顶板“ʅ”型沉降曲线,非充分压实区范围随充实率近似呈线性减小;试验得到充填体弹性模量和单轴抗压强度随凝固时间的演化曲线,结合顶板沉降曲线和推进速度得到工作面前后采动应力全区域分布曲线;建立了超前采动应力集中程度与充填体承载能力的负指数函数关系,揭示了超前采动应力对充填体充实率的负向反馈机制,实现充填开采降载防冲效果的定量评价;提出了充填体充实率“三位一体”协同提升措施,将1123工作面充实率升高至90%,增强了充填体承载能力,超前采动应力集中系数降至1.3,厚顶煤膨胀变形量减少至50 mm,坚硬顶板破断致冲风险显著降低。

顶板关键层影响条件下工作面采动应力演化规律研究

针对顾桥煤矿1314(3)工作面上覆存在关键岩层的特征,利用理论分析、数值模拟和现场实测相互验证的方法对采动支承压力的演化规律进行了研究。基于关键层理论,综合考虑采空区上覆“三带”岩层的叠加影响效应,理论分析确定裂隙带对超前支承压力的影响范围较小,主要集中在距离煤壁65m范围左右;弯曲下沉带对超前支承压力的影响范围较大,现场实测工作面顺槽附近超前应力影响范围为工作面前方135~140m,应力峰值为工作面前方18~20m处。实测数据与理论分析、数值模拟比较接近,进一步验证了研究的正确性。

水泵水轮机导水机构与转轮动应力特性分析

为探究水泵水轮机转轮和导水机构的动应力特性,通过建立水泵水轮机导水机构(固定导叶与活动导叶)及转轮的固体域模型,并基于流固耦合的方法对转轮、导水机构在水泵水轮机发电、抽水等多工况展开计算分析,以获得转轮及导水机构的应力特性。计算结果表明:转轮叶片与上冠“T”型连接处的应力集中与转轮进口处旋涡发展状态有关;转轮与活动导叶间的动静干涉是无叶区压力脉动的主要来源,且主频为叶片通过频率;较小开度或低水头工况下机组运行靠近不稳定区,活动导叶与转轮的动应力均较大,但活动导叶对水流的约束引导作用使其动应力值相比于转轮更高,且流量的增大有利于降低转轮所受动应力。因此可考虑通过改变导叶尾端与转轮进口间距,调整无叶区宽度或调整机组运行区域,避免长时间运行在低负荷、小开度工况下可进一步改善转轮所受动应力情况。

基于动应力响应的路基振动碾压性能仿真分析

为探究路基振动压实的动力响应特性,开展路基振动碾压的仿真分析,研究碾压过程中路基的竖向动应力响应分布规律,分析动应力沿路基深度及宽度方向的衰减效应,并探索压路机振动频率、名义振幅和碾压速度对路基内动应力分布的影响。结果表明:振动碾压下,路基内的竖向动应力近似呈长轴沿竖向的椭球状分布,振动能量主要沿深度方向传递,路基动应力随深度增加呈典型的指数函数规律衰减;振动频率28 Hz时产生共振现象,路基中竖向动应力达到最大值,说明此时土体吸收了更多的振动压实功,进而可达到更好的压实效果;随深度增加,路基中竖向动应力随名义振幅增加的增长速率逐渐减小,而其随碾压速度增大的衰减速率则有所增大。

抽水蓄能机组水轮机工况启动过程转轮动应力特性

本文以某原型水泵水轮机组为研究对象,研究了水轮机工况启动过程中外特性的动态变化曲线,重点分析水泵水轮机转轮内流场和动应力特性。研究结果表明,在水轮机工况启动过程中,转轮扭矩呈先上升后下降的趋势,在转速达到额定值时,扭矩接近于0;流量受到导叶开度的影响非常明显,处于先上升后下降趋势;水头在430~480m左右波动。随着转速的增加,转轮流固耦合面上的整体压力值显著增加。高压区起始集中在转轮进水边的压力面一侧,随着时间的推移,高压区域逐渐扩大并移动到进水边的吸力面一侧。转轮进水边与下环交接处的应力呈现先下降后上升的趋势,应力均值下降的同时,峰峰值也有所下降,应力值一直处于较低的水平。转轮进水边与上冠交接处的应力呈现上升趋势,并与转轮转速的变化趋势一致。本文对于深入理解水泵水轮机组启动过程复杂条件下的内部流动和转轮动应力特性具有重要参考价值。

土-石混合填土强夯动应力的简化与修正算法

强夯法是一种加固某些土体的施工操作较为简单的方法,合理分析其夯击作用在土体中产生的动应力是工程实践中的关键环节之一。针对成都平原地区的典型土-石混合填土,通过现场夯击试验,测得了在4000 kN·m的夯击能作用下土体中不同深度处的竖向夯击动应力,鉴于既有算法与试验值的差异,从两个方面确定了适于土-石混合填土夯击动应力的简单计算方法。一方面针对较为复杂的既有理论公式问题,采用敏感性分析与回归分析法,建立了以夯锤质量、夯锤落距、夯锤半径、土体密度、土体动力剪切模量、土体泊松比、土体阻尼比、夯锤入土的速度损失率等8个参数表征夯击点冲击应力的线性回归方程;另一方面采用竖向动应力传递指数对理想弹性静力学理论公式进行修正,得到了基于拟静力法的土体中夯击动应力计算表达式,进而可分析确定强夯有效加固深度。试验结果显示,土-石混合填土的竖向动应力传递指数约为1.67357,土-石混合填土地层的强夯有效加固深度约为8.0m。

风积沙填筑铁路路基累积塑性变形及临界动应力试验研究

目前用于铁路基床的填料大多数为级配优良的填料,而对风积沙作为路基填料在列车荷载作用下的累积塑性变形特性和临界动应力研究不多,但风积沙作为路基填料已在沙漠铁路建设中得到运用。为探究列车荷载作用下风积沙填料填筑铁路路基的累积塑性变形演变特性及临界动应力,考虑围压、动应力幅值、压实系数和含水率等因素的影响,开展一系列动三轴试验。试验结果表明:风积沙累积塑性应变随压实系数、围压的增大而减小,随动应力幅值的增大而增大。以最优含水率为分界点,低于最优含水率时,风积沙累积塑性应变随含水率的增加而减小;高于最优含水率时,风积沙累积塑性应变随含水率的增加而增大。风积沙试样的累积塑性应变曲线可分为:稳定型、临界型和破坏型。根据对累积塑性应变曲线的分类,获得了不同条件下风积沙填料的临界动应力。风积沙临界动应力随围压和压实系数的增大而增大,饱和含水率下风积沙填料的临界动应力明显小于天然含水率和最优含水率下风积沙填料的临界动应力。临界动应力和围压具有较好的线性关系。构建了可考虑围压和含水率影响的风积沙临界动应力经验公式,通过临界动应力公式确定了不同工况下风积沙作为路基填料的适用范围。试验结果可为沙漠铁路的设计、施工以及运营提供经验和理论依据。

采动应力作用下煤岩渗流场演化规律数值模拟

煤岩体内孔裂隙的发育状况对注水渗流的影响占主要因素,随着工作面的推进,采动应力会造成煤层孔裂隙结构的改变。为探究采动过程中煤岩孔裂隙的变化规律,在三轴压缩实验的基础上,利用体积变形表征煤岩孔隙体积变化随应力加载的演化过程,应用Fluent自定义函数(UDF)对孔隙体积随加载时间的变化关系进行编程,以开采时间及注水时间为轴,数值模拟分析采动应力对煤层注水渗流场的影响作用;对比不同应力加载阶段相同时间增量的煤体内钻孔附近渗流场的渗透压力、渗流速度及注水量的变化。结果表明:在相同时间增量条件下,压密阶段、体积膨胀阶段、变形破坏阶段煤体内钻孔周围水压与含水量依次增加,注水润湿范围逐渐增大;采动应力对注水渗流具有重要的影响。

强夯加固粉土地基的竖向附加动应力传递特性

强夯法在各类地基处理项目中得到了广泛应用,但其加固机理仍落后于实践,特别是强夯引起的地基内部竖向附加动应力传递特性。鉴于此,先基于Boussinesq应力解和动量定理推导强夯竖向附加动应力和附加剪应力拟静力解。然后,以新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市机场北区扩建项目为工程背景,运用夯锤速度法,模拟1000~4000 kN·m能级间强夯引起的动力波传播过程、竖向附加动应力传递特性和夯后土体位移场。最后,将拟静力解与动力数值解的计算结果进行对比分析。研究结果表明:强夯引起的动力波传播呈半圆弧形,竖向附加动应力传递呈半椭圆形。动力波的传播距离决定了强夯影响范围,竖向附加动应力显著区边界决定了强夯有效加固区。由拟静力解得到的竖向附加动应力相比数值解沿深度方向的衰减更快。该研究结果可为强夯法地基处理工程提供重要参考。

叠加采动应力影响下工作面矿压控制技术

为解决3912大采高综采面叠加采动应力影响下矿压显现强烈导致严重制约安全生产的难题,在总结过3810始采线区域工作面矿压显现规律的基础上,对注浆加固技术进行了理论分析,结合现场生产条件,提出采用“双层长距离注水泥浆超前加固工作面煤壁、锚网索注耦合支护超前加固巷道围岩”。实践表明:采取超前注浆加固控制3912工作面叠加应力效果较好,保证工作面安全高效通过3810采空区停采线边界煤柱影响区域,在进、出3810采空区边界煤柱影响区域,工作面推进度由40 m/月提升为120 m/月。

动应力衰减对胶凝砂砾石各凝期强度的影响

试验模拟实际施工中振动压路机动应力随深度衰减对胶凝砂砾石各凝期强度的影响,试验结果表明:施工间断时在同一动应力下应尽量避开材料初凝8h到终凝8h这段24h区间,在初凝8h破坏后28d的抗压强度是对照组的89%,在终凝8h破坏后28f的抗压强度是对照组的71%,若施工条件不允许,可加适量缓凝剂调节凝结时间;或待终凝8h后继续施工,此时需对结合面进行冷缝处理;通过模拟连续填筑得到在施工过程中,初凝8h时点,28d的抗压强度占对照组的82%,所以在初凝4h,铺筑厚度至少需达到4.4m,结合施工进度可采用分块施工工艺;或在初凝16h后继续施工,此时需对结合面进行冷缝处理,可以避免填筑时动荷载对下层材料的破坏。得到了动应力对胶凝砂砾石层间强度的影响规律,为胶凝砂砾石在施工过程中的质量控制提供理论依据和技术支撑。

巷道跨度及采动应力对围岩松动圈影响的测试与分析

巷道设计在很大程度上是支护设计,而围岩松动圈作为支护设计的依据,进行现场实测是最可靠的方法。采用地质雷达对榆树岭煤矿进行松动圈测试,探究巷道跨度、采动应力等因素对围岩松动圈的影响。测试与分析结果表明:下5煤层巷道全断面松动圈均小于2.0 m,为中等松动圈,而水平应力远大于垂直应力是顶板松动圈大于两帮松动圈的原因;巷道跨度对围岩松动圈的影响并不显著,在5.0~11.5 m跨度范围内,松动圈增幅5%~15%,因此4~8 m跨度范围内巷道采用相同支护方案时,可优化锚杆与锚索预紧力来保证巷道稳定;沿空掘巷一次采动影响后,全断面松动圈均超过2.0 m,松动圈增幅15%~22%,可作为沿空掘巷煤柱留设宽度的依据;围岩松动圈范围内的破碎区较易识别,而裂隙区的判断则需要结合经验或2种以上测试方法进行综合分析判断。

大倾角煤层群长壁开采承载拱与间隔岩层采动应力演化特征

大倾角煤层群开采过程中,受重复采动影响,采动应力在间隔岩层中的演化规律复杂,揭示间隔岩层采动应力传递与三向应力状态演化特征是实现该类煤层群绿色高效开发的核心。采用物理相似材料模拟实验研究了大倾角煤层群长壁开采围岩变形破坏的演化特征,采用数值模拟分析了围岩采动应力传递演化规律,揭示了间隔岩层三向应力状态演化特征,量化表征了第1主应力大小渐变、方向偏转的演变规律。研究结果表明:大倾角煤层群开采过程中,间隔岩层历经了“原岩应力状态-上煤层开采卸压-矸石非均衡约束-下煤层开采卸压”的扰动历程,最终产生非对称变形破坏。间隔岩层的破断失稳将使得上、下工作面开采过程中各自形成的承载拱演化成包络2个工作面在内的“大范围”承载拱,其承载拱上拱脚位于下工作面回风巷,下拱脚位于上工作面的运输巷,控制岩层变形破断内在的“大范围”应力传递拱壳亦呈现出类似的演化特征。低位间隔岩层受采动影响程度剧烈,应力释放程度较大;中位岩层压、拉状态发生改变的位置较低位向倾向下部偏移;高位岩层压、拉状态产生改变的位置位于上层煤底板临空面位置处,岩层由三向受压状态转化为单、双向受压状态。间隔岩层沿工作面倾向自下而上可分为上层煤增压、上层煤增压-下层煤卸压、重复卸压、上层煤卸压-下层煤增压、下层煤增压5个区域。在上层煤增压-下层煤卸压段,第1主应力x、y轴分量呈现出先增大后降低,z轴分量持续降低的演化趋势;在重复卸压段,岩层应力释放程度最大,方向偏转程度最大;在上层煤卸压-下层煤增压段,第1主应力x、y轴分量呈现减—增—减、z轴分量呈现先减后增的演化趋势。

基于大型动三轴试验和神经网络的粗粒土临界动应力研究

为研究基床粗粒土填料的累积塑性变形特性、动力稳定性和临界动应力,开展不同围压、动应力和含水量的系列大型动三轴试验。结果表明:粗粒土的累积塑性应变ε_(p)随动荷载振动次数N的关系曲线可分为破坏型、稳定型和临界型。建立分析εp-N曲线类型与土体围压、含水量及动应力相关性的灰色关联模型,结果表明曲线类型受围压、动应力及含水量的影响显著,且三者对决定粗粒土的动力稳定状态具有同等重要作用。构建预测粗粒土临界动应力的BP神经网络模型,分析表明粗粒土的临界动应力随围压增加而近似线性增大,随含水量的增加而非线性减小;综合试验和模型分析结果,提出考虑围压和含水量影响效应的粗粒土临界动应力经验公式。

磷石膏稳定土临界动应力及累积变形特性研究

针对磷石膏的资源浪费和红黏土的特殊工程特性,以水泥(石灰)为固化剂,采用SDT-20动三轴试验研究了磷石膏稳定土的疲劳特性和改良机理,建立了累积变形模型和临界动应力模型,得到了混合料动强度指标。结果表明:随着动应力幅值与围压提高,累积变形特征显著增大,且素红黏土与磷石膏稳定土变形均经历稳定型、临界型与破坏型三阶段;临界动应力随围压的增大而线性增大,降低动应力水平和提高围压可提升路基抵抗失稳的能力;石灰磷石膏稳定土和水泥磷石膏稳定土动抗剪强度相比素红黏土有大幅提升,且水泥磷石膏稳定土的动抗剪强度增加值比石灰磷石膏稳定土更大;磷石膏稳定土强度提升是由水泥(石灰)和磷石膏共同作用引起的,水泥(石灰)反应生成水化硅酸钙(C—S—H凝胶),磷石膏反应生成钙矾石,两者相互交织形成空间网状结构。

SH波入射下正交各向异性双相介质界面附近圆孔的动应力集中

基于复变函数和格林函数的方法,探讨了SH波在具有圆孔的正交各向异性两相介质中的散射,分析了圆孔周围的动态响应规律。首先建立问题的二维解析模型,将全空间分为两个部分:均匀各向同性上半空间以及含圆柱形孔洞的正交各向异性下半空间。采用格林函数法推导出了两半空间界面处各点的格林函数表达式,并引入复变量,构造出了SH波入射下求解区域内位移和应力的表达式。考虑界面的连续性条件,将未定反平面力加载到两个半空间的水平界面上,推导出Fredholm定解积分方程组,用弱奇异积分方程的直接离散方法求解。最终通过算例分析,发现介质的正交各向异性参数、入射波波数、角度以及孔洞埋深等对下半空间圆孔周边的动应力集中系数(DSCF)影响显著。

外部激励下齿轮箱振动分析与动应力评估

针对高速动车齿轮箱箱体应力集中问题,从轨道不平顺激励的角度对其箱体的振动特性与动应力分布进行评估。首先建立了高速动车的齿轮箱、转向架及整车的刚柔耦合动力学模型,其次利用转向架滚振实验台测量了动车齿轮箱在轨道不平顺激励下的振动加速度,其中工况选取了100km/h、200km/h及300km/h匀速运行工况。依据实验结果对动车系统的铰接类型、力元类型与参数进行了匹配性调整。最后仿真计算了齿轮箱箱体仅在轨道不平顺激励下的动应力,发现箱体整体等效应力主要集中于小齿轮端箱体处、小齿轮与大齿轮端箱体过渡联接处,其中在100km/h、200km/h和300km/h工况下,箱体平均等效应力范围依次为(2.03~2.30)MPa、(3.87~4.29)MPa、(6.81~7.25)MPa。发现轨道不平顺激励对箱体的振动特性产生一定影响,且箱体易出现应力集中现象。