隧道施工过程大比尺模型试验系统的研制及应用

为研究隧道不同开挖方法的施工力学过程,研制大比尺三维模型试验系统,该系统最大外部尺寸为5.2 m×4.5 m×2.7 m(宽×高×厚),结构合理,可任意拆卸,组合拼装,自动液压控制系统具有压力高、保压时间长、可进行稳步梯级加载等特点,能够满足各类地下工程的三维和平面地质力学模型试验的要求。在既有地质力学相似材料的基础上,通过大量的不同材料配比及其力学参数测试,获得满足V级软弱围岩的相似材料配比。基于此开展铁路隧道施工过程的大比尺三维地质力学模型试验,真实模拟隧道在开挖和支护过程中不断变化的力学过程。试验结果表明,该系统稳定可靠,可广泛应用于其他地下工程的地质力学模型试验研究,其研究方法技术及所得结果对类似工程研究具有一定的借鉴和指导意义。

天科院大比尺波浪水槽的建设与应用前景

交通运输部天津水运工程科学研究院于2014年7月建成一座大比尺波浪试验水槽，该水槽长450m、宽5m、深8～12m，目前是世界上尺度最大和造波能力最强的波浪试验水槽。文章首先分析了困内外大比尺波浪水槽的现状，并简要介绍了德国、日本、荷兰和中国台湾地区的大比尺波浪水槽，进一步结合天科院大水槽的功能设计及相关设施，分析了天科院大水槽的应用前景。

大比尺自升式平台插拔桩试验系统研制及验证

自升式平台顺利插拔桩对其安全作业具有至关重要的作用。根据插拔桩问题主要控制方程的相似,推导了1倍重力加速度模型主要物理量的相似系数,建立了主要由土池、加载装置、原位测量装置、冲桩系统和测量系统组成的大比尺自升式平台插拔桩试验系统。该系统可以模拟自升式平台插桩、冲桩和拔桩,能够测量插拔桩深度和阻力,监测桩靴底部孔隙水压力的变化。运用该系统进行了初步插桩试验和边冲边拔的拔桩试验,将插拔桩阻力与规范和相关经验公式进行了对比,验证了系统的有效性和准确性,研究了桩靴底部孔压的分布规律以及孔压和插桩阻力的变化关系,证实了冲桩可以减小拔桩阻力的显著效果。本文研制的大比尺自升式平台插拔桩试验系统为进一步研究自升式钻井平台的插拔桩阻力和冲桩效果提供了基础,有利于保障自升式钻井平台的作业安全。

大比尺水槽波浪-防波堤-地基相互作用试验方法初探

依托交通运输部建设科技项目,拟在水槽中进行波浪-结构物-软粘土地基相互作用的试验,由于软粘土地基的制备耗费大量的人力、物力和时间,大水槽的建模和试验成本远远大于小水槽,受项目工期、试验场地和试验费用的制约软粘土地基试验可重复性较差,由于缺乏在大水槽中进行类似试验的经验,故先在已有沙地基上进行预备试验。文章针对已在大比尺波浪水槽中开展的波浪-半圆型防波堤-沙地基相互作用的试验,从模型的设计与半圆型沉箱的制作、土压和孔压传感器的布置和钻孔埋设技术、半圆体沉箱的吊装技术以及试验过程中出现的问题和注意事项进行了说明,从而为大比尺波浪水槽中进行波浪-结构物-地基相互作用提供了一套合理可行的试验技术。

北疆地区砾石土岸坡冲刷破坏大比尺模型试验及其破坏机理研究

以北疆地区广泛存在的砾石土重建岸坡,开展砾石土岸坡冲刷破坏大比尺模型试验研究。引入新型观测方法——三维激光扫描技术,对岸坡冲刷破坏全过程进行观测,并详细分析获取的扫描数据。联合三维激光扫描和现场传统测量成果,依据不同阶段的破坏特征,将岸坡破坏划分为3个阶段,即冲刷破坏阶段、局部失稳阶段和整体失稳阶段,确定北疆地区砾石土岸坡的冲刷变形失稳过程与破坏模式。基于砾石土岸坡大比尺模型试验成果,推导建立砾石土岸坡稳定性计算公式和局部失稳破坏高度预测公式,并建立砾石土岸坡冲刷破坏阶段和局部失稳阶段的有机联系,以深入揭示砾石土岸坡失稳破坏机理。

大比尺采场模型试验液压支架模拟系统研究及应用

液压支架模拟装置是采场模型试验的重要测试装置,为了精准测试模型试验中的支架运行工况,借鉴已有模拟装置的结构与功能特点,基于液压控制原理研制了适于大比尺采场模型试验的新型液压支架模拟系统,主要包括泵站动力系统、液压控制装置、模拟支架、支架工况监测装置和信号处理系统。力学标定结果表明,立柱油压与支架工作阻力保持良好的线性关系,线性回归相关系数达0.99以上,模拟支架具有线性度高、重复性好、力学性能稳定等特点。大比尺采场模型试验应用表明,该模拟系统能够模拟现场支架的运转特性,模拟支架的阻力变化特征能够反映顶板周期性来压过程。采场模型试验引入该模拟系统后,可以深入开展顶板来压特征、支架选型与适应性评价、支架与顶板相互作用关系等研究内容,为煤矿采场支护决策提供依据。

浅埋盾构隧道开挖面失稳大比尺模型试验研究

盾构隧道施工过程中支护压力不足会引起开挖面失稳。针对浅埋盾构隧道,采用大比尺物理模型试验对盾构开挖面稳定进行研究。试验通过控制支护板移动速度来模拟开挖面失稳变形过程,并对支护压力和地表变形进行监测,发现了支护力和地表变形发展的3个阶段。与此同时,采用数码摄像技术对失稳土体实时观测,并利用颗粒图像技术对图像进行处理得到失稳土体的位移增量场。对比发现,位移增量场的变化规律与支护力和地表变形的3个阶段相对应。

围油栏水动力特性大比尺物理模型试验研究

针对围油栏水动力特性的问题,进行了模型比尺为1:1的规则波、水流与围油栏相互作用的大比尺水槽物理模型试验。利用拉力传感器和Polhemus电磁式位置跟踪系统,对围油栏的受力和不同浮子的运动响应进行了测量,研究了不同环境因素(周期、波高、流速)对围油栏水动力特性的影响。试验结果表明,在波流组合的情况下,围油栏的受力情况对水流流速最为敏感,波高其次,波浪周期对其影响最小。围油栏不同位置的浮子水平运动特征不同,但各个浮子的运动响应幅值均对波高较为敏感,基本同波高成线性关系。同时,水流抑制了各个浮子的水平运动,但使其升沉运动更为剧烈。

规则波作用下珊瑚礁直立式护岸波浪力大比尺模型实验研究

基于大比尺波浪水槽试验,采用弗劳德相似准则,按照1:15的模型比尺,开展了规则波作用下珊瑚礁地形上的波浪和直立式护岸的相互作用的研究,在不同水深和波浪条件下,测量了直立式护岸所受压强,并与规范值进行对比。实验结果表明实验测量值明显大于规范计算值;直立式护岸所受压强值与入射波波高和礁坪水深正相关,随护岸距礁缘距离增大而减小。通过将时均水深、增水、护岸距礁缘的距离无量纲化跟无量纲压强进行分析,得出结果表明当礁坪上水深足够深、护岸距礁缘距离小于0.5倍的波长的时候,所受压强只和入射波高有关;而波浪在礁坪上的增水越高,直立式护岸所受到的压强越大。因此综合考虑了周期、礁坪水深、增水和距离,拟合出基于该实验中筑堤珊瑚礁地形的直立式护岸波浪力估算公式,拟合公式计算精度高于现有规范公式。

大比尺切削模型试验条件下砂岩破坏特征研究

为探究单刀齿线性切削作用下岩石的破坏规律,利用大比尺模型试验平台对砂岩开展了线性切削试验,结合分形几何学方法,对砂岩在不同切削角度及不同切削深度下的切削产物,包括切削沟槽的尺寸及切削碎块的几何特征进行了分析。试验结果表明,切削影响宽度与切削深度呈良好的线性关系,且随切削深度的增加而增加,切削角度为45°时相同切削深度对应的切削影响宽度最小。砂岩的切削碎块块度分布具有分形特征,分形维数集中在1.88~2.66。分形维数与切削深度呈良好的线性关系,随切削深度的增加而减小。分形维数与切削角度间的关系可统一用二次函数进行拟合,但随着切削深度的增加,函数二次项系数由正值变为负值。

破碎波冲击直立桩柱的大比尺试验研究

波浪破碎是海洋中最常见的现象之一,其能够对海洋中的结构物产生巨大的波浪力作用。本文在大比尺波浪水槽通过聚焦波的方法生成了极端波浪和不同破碎阶段的破碎波浪,并对其冲击桩柱过程中的点压力进行了测量,进而采用连续小波变换的方法,对桩柱上点压力的分布及大小进行了细致分析。结果表明,多次重复试验下,相比非破碎极端波浪,破碎极端波浪产生的点压力离散性更强;波浪破碎程度越大,测点位置越靠近波峰,则点压力离散程度越大;破碎波的最大点压力出现在1.2倍的最大波面附近,且其大小可达3倍的最大静水压力;基于点压力小波谱,不同破碎阶段破碎波产生冲击作用不同,对于波浪作用桩柱前波浪已经发生破碎的情况,其冲击区域更大,点压力分布更复杂;而对于桩面破碎的情况,其造成的波浪总力更大。

基于大比尺模型试验的连续配筋混凝土路面开裂研究

为控制连续配筋混凝土路面(CRCP)的横向裂缝,修建大比尺模型-连续配筋混凝土梁(CRCB),分析混凝土材料、配筋率、纤维及横向预切缝对CRCP开裂的影响.构建解析模型推导横向裂缝间距和宽度的计算表达式,理论量化不同设计参数对CRCP横向裂缝特征的影响.结果表明:解析结果与现场勘测数据吻合,说明解析法切实可行;横向裂缝随着试验梁龄期增长而发展,且于19个月后趋于稳定;配筋率对裂缝间距和宽度影响较大,采用筋径为22.23 mm(#7号钢筋)的试验梁,其裂缝间距和宽度比采用筋径为19.05 mm(#6号钢筋)的试验梁降低了17%左右;采用轻质混凝土可增大裂缝间距、减小裂缝宽度,为控制冲断提供可能;加入纤维和设置横向预切缝可增大裂缝间距、减小裂缝宽度.

大比尺河工模型的精确生潮系统研究与应用

根据大比尺河工模型特点,设计了一种基于双向轴流泵变频调速生潮控制系统。采集模型的频率与水位结点数据,利用三次样条插值得到关系曲线,以此曲线为依据并结合模糊PID控制水泵电机运转频率,达到大比尺模型的精确生潮目的。系统利用上位机串口通信实时远程控制变频器,实现多种模式运作。系统应用于江阴岸线调整防洪模型实验,结果表明,该控制系统施工方便、稳定可靠,精准度满足设计要求。

波浪条件下单桩冲刷大比尺试验研究

发展海上风电技术在国家“双碳”战略中具有重要意义,单桩冲刷深度的预测是海上风电单桩冲刷研究的热点。受比尺效应的影响,传统的小比尺物理模型通常会导致冲刷深度预测公式的适用性受到限制。为此,该文在1∶13的大比尺物理模型中开展了局部冲刷试验,研究了不规则波条件下,KC(Keulegan-Carpenter)为4~9时,单桩周围的平衡冲刷深度和冲刷坑体积。研究发现,通过改进KC的计算方法,能够提高现有公式在不规则波条件下预测平衡冲刷深度的准确度。此外,提出了单桩周围局部平衡冲刷深度和冲刷坑体积的公式,为单桩防护施工时的抛石冗余量估算提供了简便的预测方法。

差异沉降对路面结构附加变形影响的大比尺模型试验

为合理描述新老路基差异沉降条件下路面结构层的附加变形问题,借助大型地基差异沉降平台,开展了新老地基差异沉降条件下拓宽沥青路面层影响机制大比尺模型试验研究。试验结果表明:在地基差异沉降作用下,沥青路面结构层整体处于受拉状态,下面层受到的地基差异沉降的影响最为明显,在地基差异沉降达到14cm时,路面结构面层开始出现塑性变形;新老路基中铺设土工格栅可以缓解下部地基差异沉降并减小路面结构层的附加应变;路面汽车荷载能在一定程度上缓解拓宽路基差异沉降导致的结构层附加变形;地基差异沉降会导致路面结构层与路基出现脱空从而产生局部弱支撑,在重力的作用下,沥青混凝土路面板呈现弯曲状态,路面表层会出现反坡。

大比例尺测绘空间数据全过程质量控制方法探讨

对大比例尺测绘数据的质量控制内容、方法进行了探讨。针对作业生产中存在的问题,依照ISO国际标准化程序提出一套质量过程控制方法,并定制在EpsCK模式中,从而使测绘质量的评判更具科学性和可操作性。

饱和及非饱和粉土中扩底桩极限上拔承载力大尺寸模型试验研究

通过采用大比例尺模型对饱和度为49%的非饱和粉土及饱和粉土中埋深比(桩埋深与扩底直径之比)为1,2,3和5的扩底桩进行试验研究,揭示饱和度、埋深比对扩底桩极限上拔承载力及其破坏模式的影响。试验结果表明:土体饱和度从49%增加至100%,扩底桩的极限上拔承载力降低至原来的30%～50%;扩底桩埋深比从1增加至5,非饱和及饱和土中桩的极限上拔承载力分别增加8和12倍;扩底桩的上拔破坏模式随埋深增大由桩周土体倒圆锥台形破坏变为扩底圆周土体局部破坏。

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。

真空预压负压分布规律模型试验研究

负压分布规律是真空预压机理研究的重要课题。通过讨论真空预压负压空间分布特点及负压相关概念,广义地定义了负压,分析了负压的测量方法及影响因素。设计高15.0 m的竖向大比尺室内模型,开展真空预压负压分布规律试验研究。试验结果表明,饱和黏土土中真空度测量存在滞后效应,本次试验真空度存在的极限深度为8.9 m;膜下真空度稳定后,零压面之上孔压及板中真空度沿深度呈对称线性分布,斜率均近似为静水压力梯度;负压沿深度为分段线性分布,在地下水位之上的非饱和段因提水做功而衰减,稳定期负压平均衰减值为21.4 k Pa,在水位之下排水板埋深范围内基本均匀分布而无衰减,稳定期平均负压为-67.0 k Pa。结合试验规律及等效排水管中气液两相流的流型分布,给出了真空预压稳定期竖向排水板中的分段线性负压边界。