管片衬砌配合碎石可压缩层与锚杆的支护型式研究

针对深埋地层中修建盾构隧道,特别是围岩表现蠕变特性,研究一种管片衬砌配合压缩层与锚杆的联合支护技术.采用有限差分与离散元的耦合计算方法,进行了管片衬砌壁后注浆、管片衬砌壁后填充碎石可压缩层、管片衬砌配合碎石可压缩层和高强预应力锚杆的支护效果对比研究.从围岩塑性区发展、沉降随时间变化、管片衬砌弯矩和轴力分析了联合支护效果.从碎石可压缩层的压缩变形路径、锚固围岩的位移矢量等角度揭示了联合支护的细观作用机理.研究结果表明:仅采取管片衬砌配合碎石可压缩层的让压支护手段无法维持管片衬砌的长期稳定;联合支护结构型式既可以提高围岩自身承载能力,也能够有效吸收围岩的蠕变变形.联合支护的作用机理由两部分构成:碎石可压缩层的让压作用与高强预应力锚杆加固围岩作用.其中,碎石可压缩层的让压机理主要通过颗粒间相互嵌挤和错动移位作用调减管片衬砌壁后接触力;高强预应力锚杆的加固机理是由锚杆形成的锚固区控制了蠕变变形的过大发展.研究结果对未来盾构工法修建深部高地应力、强蠕变隧道的支护型式设计具有一定参考价值.

煤矿斜井管片衬砌与可压缩层联合支护的效果

为研究盾构斜井管片衬砌与可压缩层联合支护体系中可压缩层参数对管片衬砌力学性能的影响,以神华新街台格庙矿区主斜井工程为依托,建立考虑管片衬砌与可压缩层之间接触效应和管片整环刚度折减效应的数值计算模型,分析有无可压缩层、不同可压缩层刚度及厚度等因素下管片衬砌内力和变形的分布规律和变化情况;采用相似模型试验对上述问题进行了进一步研究,并对有无可压缩层时管片的极限承载力和破坏形式进行了探讨.研究结果表明:可压缩层刚度越大,管片所受围岩压力越大且分布越不均匀,同时使得管片弯矩减小,轴力增大,当可压缩层模量与围岩模量之比在0.1~0.5之间变化时更为明显;随着可压缩层厚度的增大,管片所受围岩压力依次按不均匀、均匀、不均匀的趋势变化,当可压缩层厚度与管片厚度之比为1.7时围岩压力最小,管片轴力则随可压缩层厚度的增大而减小;可压缩层存在与否对管片变形影响甚微,通过自身的挤密吸收围岩压力且促使应力重分布,从而减小并均匀化传递至管片上的荷载,使得管片内力随外荷载的增长更平缓,量值更小且分布更均匀,并使管片的极限承载力提高了40%;有无可压缩层时管片破坏均经历椭变、椭变加剧、裂缝出现和扩展、失稳破坏的过程,且有可压缩层时管片的破坏更严重.

管片衬砌配合陶粒可压缩层的支护结构与围岩相互作用模型

提出了一种适用于深部蠕变地层TBM工法隧道的管片衬砌配合陶粒可压缩层的让压支护技术。通过模型试验研究了陶粒可压缩层的让压效果,在此基础上针对围岩蠕变特性和陶粒可压缩性建立了围岩、陶粒可压缩层和管片衬砌三者间相互作用的理论模型,得到了不同隧道埋深和不同厚度的陶粒填充层时围岩变形和管片衬砌支护应力随时间的变化规律,确定了深部蠕变地层确保管片衬砌长期安全的陶粒可压缩层最小填充厚度的计算方法。研究结果表明:陶粒内部蜂窝状孔隙构造使其具有高可压缩层性,可以有效地吸收围岩蠕变变形,消减管片衬砌支护压力,改善其受力特性;理论模型可以有效地分析围岩、陶粒可压缩层和管片衬砌三者间相互作用关系,对于管片衬砌壁后填充陶粒可压缩层的厚度设计具有指导作用。研究结果对未来TBM工法在深部蠕变地层修建隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。

管片衬砌配合陶粒可压缩层支护结构型式的模型试验研究

提出一种适用于深部地层TBM工法隧道的管片衬砌配合陶粒可压缩层的让压支护技术,结合台格庙矿区TBM施工的长距离斜井工程,采用模型试验方法,从管片衬砌弯矩、轴力、变形、破坏特征对比分析陶粒和碎石可压缩层的让压效果,从可压缩层的压缩变形路径和颗粒移动特征角度揭示各自的让压机制。研究结果表明:陶粒内部蜂窝状构造使其具备高压缩性,压缩率是碎石的10倍;陶粒可压缩层的让压效果要优于碎石可压缩层;不等压地应力条件下,碎石可压缩层会在一定程度上减小管片衬砌负弯区的抗力系数,导致负弯矩偏大,负弯区裂纹数量和宽度增加。陶粒和碎石的形状和内部构造差异导致两者让压效果和机制不同,最终导致管片衬砌的内力和变形、破坏特征差异。陶粒可压缩层让压机制由相互嵌挤、错动移位和挤压破碎作用三部分组成;碎石可压缩层的让压机制由前两部分组成;不等压地应力件下,由于陶粒的圆形形状特征,其向地应力较小侧自由移位和挤压作用发挥程度要高于菱角状外形的碎石,这一特征不仅增加了陶粒的让压效果还会在一定程度上增大了地应力较小侧的地层抗力系数,改善了管片衬砌受力特性。研究结果对未来TBM工法修建深部斜井的支护结构型式设计具有一定参考价值。

注浆加固和可压缩层联合作用下隧道力学行为研究

根据高地应力深埋隧道的变形特征,以围岩加固和变形能量释放为原则,提出了注浆加固与可压缩层联合支护的方法,建立了基于注浆加固与可压缩层联合作用下的隧道力学模型;推导了在联合作用下隧道应力场和位移场的解析解,并与数值计算结果进行了对比验证。结果表明:围岩的注浆加固和可压缩层的设置均能有效改善衬砌的受力情况。在其他条件保持不变时,衬砌的压力和位移,以及围岩的位移都随着注浆加固层厚度的增大而减小,但压力和位移的减小趋势随着其厚度的增加而趋于平缓。同样地,可压缩层厚度增大可导致围岩变形能量更充分地耗散,衬砌的压力及位移均随着可压缩层厚度的增大而不断减小,该减小趋势随可压缩层厚度的变化趋于平缓。但是,随着可压缩层厚度的增加,围岩的位移却不断增加。另外,隧道变形的改善效果与可压缩层填充材料的力学参数密切相关,当其弹性模量由26MPa增至160MPa时,衬砌位移迅速增加。因此,该填充材料应具备足够的变形能力才能达到吸收围岩变形、改善衬砌受力的目的。

北京市平原地面沉降区含水岩组和可压缩层划分

通过对北京平原区水文地质、工程地质条件及地面沉降现状的区域性研究,结合典型沉降区的水文地质、钻探和土工试验数据分析,首次对含水岩组和可压缩层组进行了划分。可为首都地面沉降观测网站及地面沉降预警预报系统的建设提供重要参考。

深部复合地层管片衬砌与可压缩层联合支护技术研究

深埋盾构隧道所受围岩压力主要为围岩挤压型大变形产生的形变压力,其主要特点是变形持续时间长且具有重复性,支护完成后围岩压力仍将持续增大,企图通过增加支护刚度来抑制围岩变形是不现实的,采用让压支护是解决问题的一个方向。同时,深部围岩赋存条件复杂,岩体结构复杂多变,盾构隧道穿越复合地层不可避免。以国内两座大埋深盾构煤矿斜井为背景,采用相似模型试验和有限元数值计算手段,对比分析不同复合地层条件下管片衬砌+可压缩层联合支护时管片衬砌的力学性能。研究结果表明:在模型正确建立且参数取值合理的前提下,有限元数值计算结果可以和相似模型试验结果很好的吻合。均一地层条件下可压缩层可使管片最大弯矩减小12.5%～19.9%,最大轴力减小14.2%。复合地层使管片弯矩量值和分布均产生明显变化,但对管片轴力的影响则不明显,管片弯矩对复合地层抗力更为敏感,而轴力对复合地层抗力不敏感。有可压缩层情况下,复合地层中管片内力分布更加均匀,轴力的变化不明显。复合地层相对厚度对管片最大正弯矩的影响较为稳定,对管片最大负弯矩影响显著,使其产生位置偏向相对较软一侧的地层,且相对厚度越大偏移越明显。"上硬下软"复合地层中管片弯矩更容易受地层相对刚度的影响。

可压缩边界层与混合层失稳结构的研究进展及其工程应用

本文回顾了可压缩边界层与混合层中失稳结构及其应用的研究进展.这些工作包括人们对高超声速平板边界层失稳特性、高超声速圆锥边界层转捩攻角效应的产生机制和可压缩混合层失稳特性的研究认识,以及这些相关认识的3个应用方向.这些相关工作丰富了人们对高速流动转捩和湍流拟序结构的认识.

可压缩混合层流动近十年研究进展

从稳定性分析、实验研究和数值模拟3个方面回顾了过去近10年间关于可压缩混合层流动的研究.这些工作研究了可压缩性对混合层其它性质的影响,这些性质包括混合层增长率、不稳定模式、流场结构、平均速度和脉动速度、以及标志物的混合等.3种研究方法相互补充,共同提供了认识可压缩混合层流动机制的大量信息.这些研究是湍流机理研究的重要组成部分,也是混合层流动在应用技术领域成功应用的前提.

可压缩混合层中的大尺度结构及其作用初探

利用粒子示踪图像流动显示技术和粒子图像测速技术(PIV技术)研究了对流马赫数Mc=0.38时可压缩混合层发展早期出现的大尺度结构的形状和特性,并将这些混合现象与湍流脉动场结合起来研究了这些大尺度结构对流动混合效率的作用。将粒子示踪图像和湍流脉动强度场对比以后发现:混合层流动中早期出现的大尺度结构沿着顺时针方向旋转着向前移动;该结构上的流体微元具有高涡量。由于该结构旋转和高涡量产生了较大的诱导速度,加上该结构的非定常性导致在这些大尺度结构频繁出现的区域具有很高的脉动强度,从而可能带来较高的混合效率。

可压缩自由剪切层纹影试验研究

利用纹影成像技术,在新近研制的超声速剪切风洞中测出了可压缩剪切层的厚度增长率曲线,并捕获了其中的瞬时涡结构。实验对流马赫数分别为0.26,0.43,0.50,0.66,纹影光源曝光时间为200μs和10ns。纹影照片显示,随着对流马赫数增加,可压缩剪切层正则化厚度增长率显著降低,当Mc>0.66时,趋近于0.2。Mc=0.26和0 43时,可压缩剪切层中大尺度结构是二维展向涡,Mc=0.5和0.66时,大尺度结构呈现三维性而且不规则。

可压缩混合层气动光学效应研究

建立具有普适性的流场光学传输效应计算方法,针对脉动流场的光学传输计算方法可以预测空间非均匀分布的脉动流场引起的光学传输效应.以高阶紧致差分格式求解三维可压缩滤波N-S方程,对可压缩混合层流动进行空间模式的大涡数值模拟,得到流动失稳转捩直至完全湍流的空间发展全过程,采用时间模式的直接数值模拟进行对比验证.分析流动不同阶段对光学传输效应的影响,初步讨论流场特性与光学传输效应之间的联系,计算结果表明,在转捩区域流场引起的成像畸变最为严重.

可压缩混合层交界面附近湍动能特性的实验研究

利用粒子示踪、粒子图像测速(PIV)和纹影技术研究了对流马赫数Mc=0.38时大尺度结构主导的可压缩混合层界面特性,主要是超-亚声速来流与混合层交界面附近湍动能的增长率特性。研究结果表明:在混合层交界面附近,湍动能发展所需能量主要来自当地流体微团的可压缩性,占主导地位的是雷诺应力通过流向线变形向流体微元的输入功;而混合层内部则以雷诺应力通过流向剪切变形引起的输入功为主;此外,交界面附近的大尺度结构对流体微元的线变形输入功具有抑制作用。

可压缩燃烧反应转捩混合层直接数值模拟

针对三维时间发展可压缩氢/氧非预混燃烧反应平面自由剪切混合层,采用5阶迎风/6阶对称紧致混合差分格式以及3阶显式Runge-Kutta时间推进方法,直接数值模拟了伴随燃烧产物生成和反应能量释放,流动受扰动激发失稳并转捩的演化过程.在转捩初期,获得了Λ涡、马蹄涡等典型的大尺度拟序结构,观察到了流动失稳后发生双马蹄涡三维对并的现象,大尺度结构呈较好的对称性.在流动演化后期,大尺度结构逐次破碎形成小尺度结构,混合层进入转捩末期,呈明显的不对称性.

有厚度平板尾缘可压缩剪切层中的涡结构数值模拟

采用一个新型Fu Ma高精度UCD5 SCD6紧致差分算法,通过直接求解二维Navier Stokes方程,成功实现了有厚度平板尾缘可压缩剪切层中涡结构的数值模拟,并考查了平板厚度对其的影响.计算对流马赫数Mc=0 3,平板厚度分别为1,2,3,4个参考长度.结果表明,增加平板厚度可促使平板尾缘可压缩剪切层中的涡提前卷起,有利于两股气流混合.

立井井壁类层注浆在可压缩段的应用技术

在永夏矿区至周边地区,对立井壁采用安装可压缩的措施,以期达到防止井筒断裂,保证安全为目的,这样在可压缩周边就需要采取注浆措施。保证可压缩的使用效果,同是也达到加固井及堵水的目的。

二维可压缩自由剪切层的理论分析

本文从“二维可压缩自由剪切层存在相对稳定的大尺度拟序涡结构,流场应该满足什么样的条件”这样一个反问题出发,应用常微分方程奇点理论对NS方程进行了分析,维持大尺度拟序涡结构的条件是流场内有交替出现的能量不平衡点,鞍点是温度极大值点,结点是温度极小值点;压缩性增加抑制了结点的生成和持续,是导致可压缩自由剪切层厚度增长速度比不可压情况变小的机理;得到的结论可以合理解释现有的物理现象。其次,对于目前研究可压缩自由剪切层广泛应用的对流马赫数进行讨论,认为在建立过程中采用鞍点是压力极大值点假设条件不合理,得出的公式不能反映介质特性,本文采用鞍点是温度极大值点作为假设条件,提出新的求解对流马赫数的公式。根据流动机理分析,提出通过在流场内建立交替出现的鞍点和结点,触发大尺度拟序涡结构,解决超燃冲压发动机混合问题;理论上给出大尺度拟序涡结构频率条件。

可压缩混合层密度梯度场特性的实验研究

利用纹影技术研究了不同对流马赫数(Mc=0.28,0.38,0.72)可压缩混合层密度梯度场的特性。由纹影图像可以看出:具有可压缩效应(高Mc数)的混合层存在不同程度的摆动。将纹影图像对比以后还发现:当Mc<0.3时,在可压缩混合层中发现了类似于Brown-Roshko的结构,混合层看不出明显的摆动;随着可压缩效应的增强(对流马赫数Mc>0.3),混合层开始摆动,并且随着对流马赫数的增大,混合层开始摆动位置向前移动。此外,还观察到不同对流马赫数下大尺度结构出现的区域有不同的特点。

横向可压缩电流变夹层梁的振动特性

讨论了电流变夹层梁在考虑电流变材料层横向可压缩时的动力学特性。在建模过程中将电流变材料视为可压缩的粘弹性材料,假设电流变材料层的横向位移随厚度变化。基于一阶剪切变形理论和能量方法建立了电流变夹层梁的挤压-剪切动力学模型,并采用有限元方法进行了离散求解。通过对悬臂梁的仿真和实验分析得出:在电流变夹层梁的振动过程中,上、下约束层的横向位移并不完全相等,在低频阶段相差不大,但在高频阶段较为明显;加大外加电场的强度,可以减小横向位移的差值;而电流变层厚度的增加,将使横向位移的差值加大。

可压缩混合层中的涡结构和激波

采用高精度高分辨率格式进行直接数值模拟,既得到了对流马赫数为1.2的混合层中线性发展之后的λ涡、发卡涡和涡的破碎,还得到了破碎后发展的多模态主导下的分层涡结构,以及对应动量厚度饱和下的涡结构。其流动结构的发展显示了混合层在自由空间充分发展能力的有限性。此外捕捉和显示了混合层中自然发展起来的外缘激波、对旋激波和单涡激波,激波主要是由于涡结构的高速旋转造成的相对超声速、低压区和逆压梯度区而产生的。激波的存在抑制了混合层从主流吸取质量和动量,也抑制了混合层内部流质混合的均匀性。