穿断层隧道NPR锚索支护体系抗震特性振动台试验研究

为研究具有负泊松比效应(negative Poisson’s ratio,NPR)的恒阻大变形锚索在地震作用下的吸能特性与动力响应规律,利用振动台开展含断层隧道使用普通锚索支护以及使用NPR锚索支护的振动台物理模型试验,对比分析地震作用下处于不同围岩条件中以及使用不同锚索进行支护时隧道结构的动力响应规律。研究结果表明:在同一地震波作用下,使用NPR锚索进行支护的隧道结构破坏程度与使用普通锚索进行支护的隧道结构相比有明显的改善,表明NPR锚索在地震作用下具有良好的吸能特性,能够为隧道结构提供有效支护;通过对比分析普通锚索与NPR锚索的锚索轴力时程曲线可知,在地震波作用下,普通锚索会发生破断现象,轴力突降至零,而NPR锚索的高恒阻力能够持续提供有效支护;分析隧道结构各测点的加速度、应变、土压力等动力响应可知,隧道断层区域在地震作用下的动力响应更为明显,隧道结构在地震作用下呈现出拱肩→拱腰→拱顶的破坏规律,这一研究成果为类似隧道工程的支护对策提供了理论参考。

降雨诱发滑坡的NPR锚索控制机理及临滑预警

为研究降雨滑坡的控制及临滑预警技术,以熊家山滑坡为原型,通过分析边坡变形的时空特征,设计了相似模型试验.以普通预应力锚索(简称PR锚索)和NPR锚索为加固材料,运用高速摄像机、孔压、土压和锚索力传感器,分析了降雨诱发的滑坡规律和锚索控制机理,并结合现场试验探究了滑坡牛顿力变化规律.结果表明:孔隙水压力突降与边坡局部滑塌近似同步;NPR锚索力突降,边坡内部产生局部变形;PR锚索因无法承受大变形被拉断失效,而NPR锚索凭借恒阻大变形特性产生高应力吸能控制功能,促使边坡达到二次平衡状态;NPR锚索在滑坡前表现出明显的“先突增,后突降”的变形-临滑动力学规律;现场试验揭示了滑坡全过程牛顿力演变规律,提前7.5 h发出临滑预警.

NPR锚索对白云岩矿失稳边坡控制效应研究

节理裂隙是露天矿开采中边坡失稳的主要影响因素,因此,研究节理裂隙有利于解决矿区边坡开采的安全性问题。以北京黄峪口白云岩矿失稳边坡为工程地质背景,采用现场调查(测线法和赤平极射投影法)、NPR锚索数值模拟和现场监测方法,以NPR锚索主动支护思想为核心对其进行了试验研究。研究表明:①黄峪口白云岩矿边坡岩层基本呈水平状或与边坡走向方向一致,边坡体结构破碎,节理裂隙发育,存在软弱夹层和多条滑带,边坡有严重失稳的趋势。②NPR锚索入射角为20°时达到边坡最佳支护效果,边坡位移约2.55 cm,说明NPR锚索对破碎边坡起到较大的抗滑作用。③根据现场监测得出NPR锚索的锚索轴力可达300 kN左右,支护后的边坡较稳定。研究反映出,NPR锚索对节理裂隙发育的边坡控制效果较好,可为类似露天矿边坡治理提供参考。

软岩隧道NPR锚索主动控制关键技术

为解决横断山区软岩隧道的大变形问题,本文以云南省昌宁至保山高速公路昌宁隧道为工程背景,采用理论分析、现场试验等方法,从作用机理、支护方案、施工工艺等方面对软岩隧道开展了高预紧力恒阻大变形(NPR)锚索主动支护及关键技术研究。结果表明:被动支护下,隧道围岩节理裂隙发育、黏土矿物含量高、围岩强度低、微观结构存在细小溶蚀孔、结构疏松等是昌宁隧道围岩发生变形破坏的主因;提出了“NPR锚索+PR锚索+“W”钢带+高强柔性网”主动支护技术,并通过现场松动圈测试等试验,确定了NPR锚索、PR锚索等的支护参数;针对极破碎围岩及含水软岩的特殊环境,提出了“先喷后支+复喷”和“锚固端下缘封堵+钢绞线端头加丝”NPR锚索主动支护优化技术;现场试验结果表明,NPR锚索主动控制技术能够有效控制软岩隧道围岩大变形,最大变形量由原来的2125 mm控制到300 mm以内,保障了隧道支护结构的安全。

黄峪口白云岩边坡变形机理分析及NPR锚索支护效果研究

延庆黄峪口边坡具有丰富的白云岩资源,在降雨作用下出现了严重的失稳现象,边坡前缘及坡体表面出现了多条裂缝,目前,针对该边坡的失稳机理及支护对策缺乏精细剖析。本文通过现场调查、数值模拟实验的手段研究了强风化白云岩边坡的失稳机理,并通过现场监测的方法验证了NPR锚索对该类破碎岩质边坡的支护效果。研究结果显示:白云岩边坡坡体多为张性切裂缝和剪切裂缝,滑坡主要发生蠕滑变形,滑坡属于牵引式顺层岩质滑坡;降雨对边坡的影响主要是岩土体饱和孔压和非饱和孔压共同作用的结果,雨水过大会导致边坡前缘处基岩软化,造成滑坡的发生;矿区内边坡通过NPR锚索的加固后稳定性得到明显提升,牛顿力基本保持在300 kN以上,可以实现对边坡的稳定性控制和远程实时监测预警。

NPR新材料钢在动态冲击载荷下的力学性能研究

为了研究NPR新材料钢在动态冲击载荷作用下的力学性能,利用分离式霍普金森杆装置对其进行动态拉伸和动态压缩试验,通过试验获得材料的变形机理、失效模式及不同应变率下的应力-应变关系;并将试验结果与921A钢进行对比,分析2种材料的力学性能差异。研究结果表明,在准静态载荷作用下,NPR新材料钢具有较大的极限强度和断裂应变;在动态冲击载荷作用下,NPR新材料钢的屈服强度和极限强度均随应变率的增加而增大,表现出较强的应变率效应,且在高应变率下,NPR新材料钢的应变率强化效应更显著,具有较好的静、动态力学性能。

NPR钢板材多性能试验研究

开展NPR钢主要力学性能试验研究,并将其相关性能与舰用921A钢进行对比。结果表明:NPR钢具备较高的拉伸强度,同时还保持着优异的韧性,其面内方向吸收能量的能力较强;在高应变速率条件下,NPR钢的屈服强度和极限强度均有较大提高,表现出较强的应变率敏感性。此外,NPR钢材的耐腐蚀性能、冷弯曲加工性能和低磁/无磁性能均表现优异。研究结果表明:NPR钢的综合性能较好,尤其适合应用于对大变形、高应力和高延性有较高要求的工程场景,在舰船抗爆和抗冲击等领域有较好的应用预期。

Case study on the mechanics of NPR anchor cable compensation for large deformation tunnel in soft rock in the Transverse Mountain area,China

A study was conducted to analyze the deformation mechanism of strongly weathered quartz schist in the Daliangshan Tunnel,located in the western Transverse Mountain area.A large deformation problem was experienced during the tunnel construction.To mitigate this problem,a support system was designed incorporating negative Poisson ratio(NPR)anchor cables with negative Poisson ratio effect.Physical model experiments,field experiments,and numerical simulation experiments were conducted to investigate the compensation mechanical behavior of NPR anchor cables.The large deformations of soft rocks in the Daliangshan Tunnel are caused by a high ground stress,a high degree of joint fracture development,and a high degree of surrounding rock fragmentation.A compensation mechanics support system combining long and short NPR anchor cables was suggested to provide sufficient counter-support force(approximately 350 kN)for the surrounding rock inside the tunnel.Comparing the NPR anchor cable support system with the original support system used in the Daliangshan tunnel showed that an NPR anchor cable support system,combining cables of 6.3 m and 10.3 m in length,effectively prevented convergence of surrounding rock deformation,and the integrated settlement convergence value remained below 300 mm.This study provides an effective scientific basis for resolving large deformation problems in deeply buried soft rocks in western transverse mountain areas.

配置NPR钢筋的混凝土构件受弯计算方法研究

NPR(负泊松比)钢筋是一种新型高强度钢筋,屈服强度标准值大于625 MPa,其抗拉强度与抗压强度不等。为研究NPR钢筋在混凝土受弯构件中的应用,根据钢筋的本构关系,利用平截面假定推导并得出了界限受压区高度;推导了单筋梁的最大配筋率、双筋梁受压筋与受拉筋的相对关系;推导了受弯构件正截面计算方法。结果表明,对于混凝土受弯构件,配置NPR钢筋的计算方法与配置普通热轧钢筋不同。提出了现有结构计算软件存在的问题,提出了配置NPR钢筋的矩形截面受弯构件的处理措施。研究结果可为NPR钢筋在工程中的推广应用提供参考。

深部井巷工程高预应力NPR耦合支护技术

深部煤炭资源是未来我国能源安全的重要保证,但受深部“三高一复杂”地质力学环境影响,深部井巷工程岩体大变形失稳问题日渐突出。为解决该问题,以支护-围岩相互作用为突破点,研发了具有高强度、高恒阻、大变形力学特性的系列NPR锚杆/索,构建了NPR锚杆的本构方程,并开展室内和现场综合力学试验,验证了NPR锚杆/索的独特力学特性;分析了NPR支护-围岩相互作用关系,推导了NPR支护岩体本构关系,阐明了采用NPR耦合支护后的开挖补偿力学效应,揭示了高预应力NPR耦合支护机理;结合大强煤矿实际工况,提出了深部泵房吸水井以NPR锚杆/索为核心的集约化硐室群NPR支护技术。数值分析和现场监测数据显示:高预应力NPR耦合支护技术可显著提高支护-围岩的承载特性,有效减小井巷工程岩体塑性区的分布及发展范围;支护后支护-围岩应力场趋于均匀化,围岩整体变形量减小68%以上,确保了深部井巷工程岩体的长期稳定。研究成果可为类似条件下的深部井巷工程稳定性控制提供借鉴。

新型NPR锚杆支护系统抗动力冲击试验研究

为应对深部洞室开挖过程中可能出现的高应力岩爆、冲击地压及外部爆炸等动力冲击作用下造成的洞室围岩非线性大变形,何满潮院士研究团队研发了具有均匀大变形、颈缩明显消失、屈服平台消失等实验现象的2G-NPR(Second Generation Negative Poisson’s Ratio)锚杆新材料,并在此基础上,形成了2G-NPR锚杆支护工程岩体的刚柔性结构系统大变形控制技术。为了深入研究爆炸强冲击作用下2G-NPR锚杆支护工程岩体的整体动态响应规律及力学行为,后续将其应用于国防和人防工程中。在爆炸试验现场研究了爆炸冲击波在花岗岩中的衰减模型,确定了爆炸所需的装药参数,获得了PR锚杆支护复合结构和2G-NPR锚杆支护复合结构洞室的支护参数;对比研究了在爆炸冲击过程中2种不同支护体系中拱顶峰值压力、拱顶拱肩拱底加速度、锚杆轴力以及围岩的动力学响应和相互作用规律,揭示了不同支护洞室的抗冲防爆特性及其破坏模式。研究结果表明:2G-NPR锚杆能抵抗更强的平面冲击载荷,能量吸收分摊比例占比高,在地下防爆支护中具有显著能量吸收特征,能够起到传统锚杆支护无法比拟的支护效果。此外,针对地下洞室开挖引起围岩应力状态的改变,提出洞室开挖应力补偿理论,并得到了锚杆锚固端各应力分量和位移分量的理论解,为后续洞室支护研究提供理论参考。

万福矿深埋大断面T型交叉点高预应力NPR支护机制及应用

为解决深部大断面软岩巷道交叉点大变形问题,以万福煤矿千米深井巷道交叉点为工程实例,首次在巷道支护中运用微观负泊松比(negative Poisson’s ration,NPR)钢锚索。采用室内试验、理论分析、数值模拟及现场试验相结合的方法,分析了深埋巷道交叉点的围岩变形机制,提出了以微观NPR钢锚索为核心的控制对策。通过室内静力拉伸试验对微观NPR钢锚索的力学特性进行研究,结果表明,微观NPR钢锚索拉伸全过程表现为高恒阻,均匀拉伸,无屈服平台,破断时无明显颈缩现象。通过理论推导,基于T型巷道交叉点围岩最大影响范围,建立微观NPR钢锚索支护T型巷道交叉口最大影响范围计算模型。通过数值模拟,再现T型巷道交叉口的破坏演化过程,分析对比普通支护/微观NPR钢锚索支护效果。现场开展支护应用试验与监测,验证了长短微观NPR钢锚索联合支护对策具有良好的交叉口围岩大变形控制效果,为交叉口围岩安全稳定控制提供了新支护材料和支护手段。

四磨汤对功能性消化不良大鼠CNP/NPR-B/cGMP信号通路的影响

目的 通过研究四磨汤对功能性消化不良(functional dyspepsia, FD)模型大鼠CNP/NPR-B/cGMP信号通路的影响,进一步探讨其作用机制。方法 将Wistar大鼠随机分为对照组、模型组、低浓度四磨汤组、中浓度四磨汤组、高浓度四磨汤组以及莫沙必利组。参考文献中的方法使用夹尾刺激联合不规则饮食14 d制备FD大鼠模型。造模结束后,四磨汤低、中、高浓度组大鼠分别灌胃1.8、2.4、3.6 g/(kg·d)剂量的四磨汤药液,莫沙必利组灌胃0.305 mg/(kg·d)剂量的莫沙必利药液,对照组和模型组给予等体积蒸馏水,给药14 d。观测大鼠体质量变化;酚红法检测大鼠胃排空率;碳粉法检测大鼠小肠推进率;ELISA法检测血清中胃动素(motilin, MTL)、胃泌素(gastrin, GAS)、胃窦平滑肌C型利钠肽(C-type natriuretic peptide, CNP)、环磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate, cGMP)的含量;RT-qPCR和Western blot分别检测胃窦平滑肌CNP、B型尿钠肽受体(type B urinary natriuretic peptide receptor, NPR-B)的基因和蛋白表达。结果 与对照组比较,模型组大鼠体质量降低(P<0.05),胃排空率与小肠推进率明显减弱(P<0.05),血清MTL、GAS含量降低(P<0.05),胃窦平滑肌CNP、cGMP含量升高(P<0.05),CNP、NPR-B的m RNA和蛋白表达增加(P<0.05)。与模型组相比,四磨汤各剂量组大鼠体质量显著增加(P<0.05),胃排空率和小肠推进率显著提高(P<0.05),血清MTL和GAS含量显著增加(P<0.05),胃窦平滑肌CNP、cGMP含量降低(P<0.05),CNP、NPR-B的mRNA和蛋白表达降低(P<0.05)。结论 四磨汤通过抑制CNP/NPR-B/c GMP信号通路以促进胃肠动力可能是其治疗FD的作用机制之一。

富水断层带隧道变形力学机制及双梯度注浆NPR补偿对策

云南他白依隧道位于青藏高原东麓,穿越多条断层构造带,其围岩软弱破碎,遇水强度骤降。原设计方案下围岩存在米级大变形,出现了拱架扭曲、仰拱隆起和突泥涌水等灾害。针对富水断层带隧道围岩破碎难题,首先通过矿物成分分析、点荷载试验及地应力测试,分析了富水断层带隧道变形力学机制及其转化,通过未注浆、常规注浆及双梯度注浆的围岩承载力试验,确定采用双梯度注浆工艺进行NPR锚索锚固;然后,通过数值模拟及现场试验,得出了最佳锚索数目;最后,通过现场应用,基于监测数据验证了双梯度注浆及高预紧力长短NPR锚索支护体系的可靠性。研究结果可为类似富水断层带隧道的大变形灾害控制提供参考。

引汉济渭工程秦岭引水隧洞岩爆三维NPR支护技术

针对引汉济渭工程秦岭引水隧洞岭北段频繁产生岩爆灾害、原支护结构破坏等问题,对秦岭引水隧洞岭北段进行地质勘测调查,分析隧道围岩岩爆破坏特征及破坏模式,开展超深隧洞岩爆三维负泊松比(negative Poisson’s ration,NPR)高应力补偿支护体系研究工作。采用现场勘查等方法,对隧道地质条件及岩爆破坏成因进行分析,并采用对比试验的思想设计出秦岭引水隧洞岭北段岩爆监测预警试验方案,提出以微观NPR锚杆为核心的三维NPR高应力补偿支护体系;通过现场试验分析新支护体系下围岩岩爆控制程度及其支护效果。结果表明:以微观NPR锚杆为核心的三维NPR高应力补偿支护体系能有效控制隧道围岩岩爆灾害发生,新支护体系试验段微震能量、频次均明显降低,爆坑深度、钢拱架受力和变形量明显减小。研究成果可为超深隧道岩爆灾害的防治提供参考。

NPR锚索支护下相交隧道围岩变形规律及破坏机理

城市交通逐渐向地下发展,地下立交中相交隧道数量日益增加。为探究复杂地质条件下相交隧道的变形规律,以深圳南龙地下立交隧道相交隧道段为工程背景,通过物理模型试验探索相交隧道在开挖支护及超载状态下的变形机理。首先自主设计三维模型试验系统,并通过相似理论计算,进行了多种岩样及支护材料的配制;其次在模型搭建完成后,基于开挖补偿理论,利用缩尺NPR(Negative Poisson’s Ratio)锚索对相交隧道进行开挖支护。通过对隧道应变、位移及NPR锚索轴力的分析,得到隧道开挖状态下的应力重分布特征;最后,对隧道进行超载试验,结合数据及现象分析,揭示了相交隧道合建结构的围岩破坏机理。研究结果表明:相交隧道在开挖贯通时,合建区域岩体因隧道开挖产生应力损失,会对已经开挖支护完的隧道造成轻微影响。隧道贯通加载时,相交隧道的破坏分为3个阶段:拱顶应力集中区沉降阶段、合建结构的破坏阶段和隧道洞口破坏阶段。具体表现:首先是上层隧道合建区域拱顶开始出现沉降,然后下层隧道出现底鼓,最后应力传播至边界,使得洞口上方垮塌。试验中采用NPR锚索对相交隧道进行支护,现象和数据表明,开挖阶段隧道合建区的沉降影响到NPR支护段,由于NPR锚索的高应力补偿特点,支护段并未出现明显沉降。试验验证了NPR锚索在相交隧道的支护效果,可为类似工程支护提供一种新的思路。

茶树NPR基因家族成员鉴定与表达分析及冷诱导CsNPR 3的基因克隆

冷胁迫是影响茶树(Camellia sinensis)产量和品质的主要非生物胁迫。病程相关基因非表达子(non-expresser of pathogenesis-related genes,NPRs)是植物抗病途径中的主要免疫调节蛋白。目前,茶树中NPR基因家族及其在冷响应中的作用研究相对较少。该研究首先利用生物信息学分析,在茶树基因组中筛选鉴定出3个定位于不同的染色体的NPR基因,命名为CsNPR 1、CsNPR 2和CsNPR 3(GenBank No.ON794747)。这些基因均包含家族保守的BTB/POZ、Ankyrin重复结构域以及多个半胱氨酸残基。进化分析发现,茶树的NPR家族成员的数量虽然与其他物种存在差异,但进化中表现出很强的保守性,与拟南芥及其他物种的分类结果相同。基因结构分析表明,茶树NPR家族与拟南芥具有相似的内含子外显子结构。利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术,探明CsNPR 1、CsNPR 2和CsNPR 3的组织表达模式以及对冷刺激和水杨酸(SA)的响应情况。进一步克隆被冷信号和SA信号同时诱导表达的CsNPR 3,比对发现该蛋白氨基酸序列存在着品种差异性。该研究对探明茶树NPR基因家族参与冷胁迫与水杨酸的交叉调控有一定参考意义。

静力荷载作用下微观负泊松比锚杆的本构模型

微观负泊松比(NPR)锚杆具有高应力和高均匀延伸的力学特性,但其本构模型的研究还不够深入。故对此开展了静力荷载作用下微观NPR锚杆的拉伸试验,研究了静力拉伸过程中微观NPR锚杆的应变场演化规律,得到了静力荷载作用下微观NPR锚杆的应力-应变关系曲线。基于试验结果,建立了微观NPR锚杆的本构模型,并将该本构模型嵌入到ABAQUS有限元软件中,开展了静力荷载作用下微观NPR锚杆的数值分析。对比试验结果和数值分析的结果可以看出,两者具有较好的一致性,表明所建立的本构模型能够较好地表现微观NPR锚杆的力学特性。

层状反倾边坡破坏机制及NPR锚索控制效果物理模型试验

以内蒙古长山壕露天矿区大规模倾倒失稳反倾边坡为工程背景。首先基于相似理论构建层状反倾边坡地质概化物理模型,开展在未加固、普通锚索加固(PR锚索)及恒阻大变形锚索加固(NPR锚索)3种不同工况条件下边坡控制效果物理模型试验。然后使用红外热成像系统、应变监测系统和数字散斑位移测量系统,对反倾边坡开挖试验全过程的温度场、应变场和位移场进行综合监测。最后,研究层状反倾边坡变形特征和失稳机制,对比分析不同加固对策下的加固效果。研究结果表明:层状反倾边坡变形过程具有明显的"叠合悬臂梁"变形特征,其倾倒机制主要表现为岩层初始裂纹产生、岩层裂纹发育以及滑动面贯通边坡失稳3个阶段。PR锚索在边坡开挖过程中断裂失效,无法抵抗边坡大变形失稳。NPR锚索具有高恒阻、大变形以及吸收能量的超强特性,有效防止反倾边坡倾倒失稳的发生,为边坡工程加固提供了一种新的思路。

基于NPR调制滤波器组的动态信道化滤波

针对接收带宽内存在多个非均匀分布的、不同带宽的子带信号,其个数、带宽和位置分布未知且具有时变性的情况,本文提出一种动态信道化滤波的方法:首先由给定的信号间的最小保护间隔确定滤波器组的子信道数目并设计满足几乎完全重构条件的原型滤波器以构成分析滤波器组;其次,通过计算每个子信道的能量确定信号的位置,并设计相应的综合滤波器组提取子带信号;当信号动态变化时,无需改变分析滤波器组,只要更新能量检测以获取新信号的位置信息就能得到相应的综合滤波器组从而完成信号的信道化处理.理论分析和仿真结果验证了该方法的可行性.