极高地应力硬岩隧道变形规律及施工优化研究

依托重庆市巫镇高速宝山隧道工程,采用数值模拟方法开展极高地应力无仰拱硬岩隧道的变形规律和施工优化研究,对不同施工工法、施工步距进行了比选。研究表明:1)不同施工工法隧道变形规律基本一致,竖向位移大于水平位移且基底隆起较拱顶沉降更明显,全断面法施工隧道变形收敛速度最快;2)不同施工工法均为基底应力释放程度最大,释放后基底应力仅为初始的55%,且全断面法拱脚处应力集中范围最小;3)隧道周围的岩体以拉伸破坏为主,部分位置存在剪切破坏,施工工法对塑性区的水平影响范围有限;4)该隧道选用全断面法施工可行且较经济。全断面法不同施工步距变形及应力分布基本规律相同,施工步距越大,水平竖向位移越大,拱脚处应力集中越显著,最小主应力值也越大,综合考虑现场施工建设速度、变形收敛情况、应力分布状态,采用1.6 m步距较经济合理。

船舶短上层建筑(甲板室)甲板应力分布规律研究

船舶短上层建筑(或甲板室)由于规模小,横剖面正应力沿高度分布不满足平断面假定,应力分布规律与一般船型上层建筑不同,规范中缺乏针对性的设计依据。以一艘典型的短上层建筑油船为研究对象,设计多种短上建方案,借助有限元法对船舶短上层建筑甲板应力分布规律进行研究,讨论了短上层建筑长度、高度及其所在位置的影响,有限元结果与斯曼斯基和库尔庙莫夫理论公式结果的对比表明两式都有一定局限性,预报短上层建筑甲板应力会有误差。进一步在有限元结果和理论公式基础上提出新的短上建甲板应力分布公式的基本形式,采用指数函数模型对短上层建筑正应力进行拟合,得出短上层建筑船型的正应力沿高度分布规律公式,验算结果表明新公式适用性较好,可为早期短上层建筑船型强度设计提供参考。

2019年湖南攸县7·15大型岩溶地面塌陷的发育分布规律及形成机理

2019年7月15日,湖南株洲市攸县樟井村发生大规模岩溶地面塌陷,严重威胁当地人民群众的生命和财产安全。为查明7·15大型岩溶地面塌陷的形成机理,通过地球物理勘探、水文地质工程地质钻探、地下水监测、水化学分析等多种手段对岩溶地面塌陷区开展了详细的调查研究,分析了该岩溶地面塌陷的发育规律及致灾因素。结果表明:7·15大型岩溶地面塌陷是由降雨主导,在地表覆盖层软化减强、岩溶气爆和渗流潜蚀效应等多种不良因素共同作用诱发的自然塌陷;地面塌陷位于断层、褶皱等构造密集发育的可溶性碳酸盐岩区域,区内岩溶强烈,广泛发育的溶洞、落水洞、泉、地下暗河等岩溶形迹为地面塌陷的形成提供了条件;7·15大型岩溶地面塌陷的形成演化可分为降雨诱发的地表覆盖层土体软化减强和封盖增荷、降雨导致地下水水位上升引发的岩溶气爆、地下水渗流潜蚀加速顶板垮塌形成土洞、土洞扩大及顶板失稳4个阶段。该研究结果可为类似地质条件地区的岩溶地面塌陷预测预报与防治提供科学依据。

深井高应力浸水孤立煤体蠕变失稳型冲击地压机理研究

以赵楼煤矿七采区南部水仓联络巷冲击显现为背景,采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,研究了高应力浸水孤立煤体蠕变失稳型冲击地压机理。浸水孤立煤体承载应力主要呈现从“双峰”形到“马鞍”形再到“平台”形最后到“单峰”形的蠕变演化规律;基于burgers模型,引入了含水损伤变量,建立了孤立煤体弹性区集中应力估算力学模型,揭示了高应力浸水孤立煤体蠕变失稳型冲击机理:孤立煤体在水仓积水的不断弱化作用下,强度逐渐降低直至残余强度,其承载能力也随之下降,导致应力集中由塑性区向弹性区转移,当弹性区承载集中应力超过其失稳阈值时,容易诱发冲击地压;提出了高应力浸水孤立煤体蠕变失稳型冲击的防治对策:降低孤立煤体平均承载应力,增加孤立煤体综合抗压强度,必要时针对孤立煤体附近的巷道进行充填处理。

倒梯形巷道顶板全长锚索联合支护技术研究

针对长城五矿1902S回风巷倒梯形煤巷的高地应力产生的围岩稳定性差,支护体失效的问题,在实地调研施工现场后,结合FLAC3D数值模拟分析原方案的支护失效体制,并提出“全长锚固锚索+组合支撑钢墩柱+W型钢带+钢筋锚网+钢带”的联合支护技术,从顶板围岩的变形量和帮部相对移近量两方面来分析矿压显现规律。结论如下:原方案锚杆锚索的组合支护体应力偏分布,不能解决倾斜顶板帮角处出现的应力集中现象,全长锚索支护对应顶板离层和应力集中位置,并采用支撑钢墩柱对顶帮角处进行补强支护,矿压监测数据显示,该技术明显改善了顶板的围岩稳定性,有效地减轻了帮部的压力和变形,锚索的承拉效果明显强于锚杆,为解决不规则巷道的顶板支护提供了重要的实践经验。

一种异步式压缩机涡旋盘的变形和疲劳强度分析

涡旋压缩机工作时,因涡旋盘工作环境及受力较为复杂,其容易产生变形和应力,导致密封性变差和疲劳破坏,影响到涡旋压缩机的工作效率及可靠性。针对这一问题,基于有限元理论,对一种微小型异步式涡旋压缩机进行了数值模拟研究(在多种载荷作用下),分析了其实际工况下的变形应力和疲劳寿命分布规律。首先,分析了异步吸排气涡旋压缩机的构造原理,划分了该涡旋盘的结构化网格,并赋予其材料、连接、约束和载荷等要素,由此建立了该涡旋盘的有限元计算模型;然后,分析了该涡旋盘在气体温度载荷、气体压力载荷、惯性力载荷及多载荷耦合作用下的变形和应力分布规律,并进行了模拟结果的可靠性分析;最后,计算了该涡旋盘在常温常压工况下的疲劳寿命,并研究了其在变载荷工况下的疲劳寿命变化。研究结果表明:温度载荷是引起涡旋盘变形和应力的主要因素;高吸气温度下,涡旋盘疲劳寿命随吸气温度和吸气压力的升高而线性减小,且前者的影响更加明显;低吸气温度下,涡旋盘疲劳寿命在较高的吸气压力下出现迅速下降的趋势。

枣泉煤矿五分区地应力测试及其分布规律研究

为了获取枣泉煤矿五分区地应力分布规律,采用水压致裂法对原岩地应力进行了现场测试。结果表明:5个测点中最大水平主应力最大为12.66 MPa,最小为4.96 MPa;最小水平主应力最大为6.08 MPa,最小为2.33 MPa;地应力场类型均为水平主应力场,除测点4外,其余测点各方向应力大小排序均为σ_(H)>σ_(v)>σ_(h);测点1~3的最大水平主应力方向分别为N16.5°W、N30.9°W和N22.3°W,具有较强的一致性,测点4和测点5受褶曲构造影响,最大水平主应力方向为N42.6°E和N24.8°W,向垂直褶曲轴线方向偏转。

基于光栅传感器的巷道矿压监测技术

巷道矿压监测是保障煤矿安全高效开采的重要手段之一,然而传统监测方式存在缺乏系统性、精度低、可靠性差、难以组网等弊端。以光栅传感器为监测手段,系统性设计并开发了包含顶板离层、锚杆轴力、围岩应力及锚杆载荷监测为一体的巷道矿压光栅监测系统,以解决当前监测手段的不足。首先,以内蒙古某矿81303回风巷为研究对象,通过数值模拟明晰了其两帮煤柱的应力分布规律,从而确定了该巷道的最佳测点布设方案。其次,搭建了巷道矿压光栅监测系统的整体架构,并开展了系统硬件配置和监测软件的设计研究,实现了对巷道矿压的实时在线监测与数据处理。此外,工业性应用测试表明该系统获得的矿压规律与传统手段基本一致,监测参量的相对误差最高为1.16%,验证了巷道矿压光栅监测系统的有效性与适应性。

大吨位钢桁梁柔性拱桥节段拼装结构应力分析

为了分析大吨位钢桁梁柔性拱桥节段拼装结构应力分布规律,以岐江河大桥为背景,建立钢桁梁柔性拱桥有限元模型,模拟多节段拼装施工,分析体系转换对结构应力分布特征的影响。结果表明:安装钢桁梁与下层桥面板后,钢桁梁峰值应力出现在跨中且应力沿两侧逐级递减;安装上层桥面板及钢拱肋后,端点应力增长1倍;张拉吊杆后,1/4跨应力增长1.4倍。上层桥面板在施工阶段的应力水平高于成桥后的应力水平,其应力沿纵桥向呈双峰分布,峰值应力在两侧1/4跨。下层桥面板在施工阶段的应力水平较低,支架拆卸后其应力整体增长85%。拼装过程中,拱脚构造细节与桁梁支点构造细节的受力较小,梁-拱体系转换完成后峰值应力分别增加70%与200%。安装钢桁梁与桥面板对结构刚度影响较小,安装拱肋后结构刚度明显下降。对于拼装支架拆卸流程,由桥梁两侧向跨中拆卸施工支架能确保结构应力、线型平滑过渡。

铜矿峪矿地应力场特征及深部岩爆预测分析

目前,铜矿峪二期工程进入410 m中段开采。该段开采结束后,将转入深部工程开采。随着开采深度的不断增大,将面临地应力增大所带来的问题。以铜矿峪矿地应力场和深部岩爆预测为研究对象,采用应力解除孔壁应变法对800~870 m水平的原岩应力进行测量,得出了铜矿峪矿区地应力场的一般规律,并在220~410 m水平开展了18个钻孔岩心物理力学参数的测量,结合Barton法、国标法和陶振宇法等判据,完成了对220~410 m水平深部开采区域的岩爆预测分析。

小窑破坏区复采期间瓦斯分布规律研究

为掌握复采煤层瓦斯分布规律及涌出规律,解决复采期间局部瓦斯异常涌出、积聚和瓦斯超限等难题,以腾晖煤业2#煤层三采区遗存采空巷(区)及煤柱为研究对象,研究了工作面与空巷(区)的位置关系,在瓦斯基础参数测试上,对下分层复采期间应力变化特征与瓦斯运移特征进行了分析。研究表明:在密闭空间内瓦斯体积分数超过28.4%时,瓦斯压力高达0.045 MPa;当工作面空巷揭露时,瓦斯瞬时气流速度可达440 m/s,之后迅速下降。

山区高速公路陡纵坡段沥青路面面层剪应力分布规律

为研究山区高速陡纵坡段沥青路面面层剪应力分布规律,并考虑基层-面层层间结合状态、基层-面层模量比,基于BISAR3.0软件开展弹性层状体系静力学分析。研究结果表明:1)相较平坡路段,陡纵坡路段具有较大的水平荷载系数,从而导致沥青面层极值剪应力最大值大幅增大,高极值剪应力分布更为集中,水平荷载对整个沥青面层的极值剪应力的分布均有一定程度影响;2)不同层间接触状态下陡纵坡段沥青面层的极值剪应力最大值差异较小,但在较高值(>250 kPa)极值剪应力的分布上有较大差别,基层-面层层间完全光滑状态下陡纵坡的极值剪应力较高值(>250 kPa)相较层间完全连续状态分布更为广泛且贯穿于沥青面层,沥青面层底部更易发生剪切破坏;3)在沥青面层模量为10000 MPa、基层模量范围为6000 MPa~14000 MPa时,随着基层-面层模量比提升,陡纵坡段沥青面层极值剪应力最大值有所降低。根据静力学分析结果,陡纵坡段沥青路面相较平坡路段具有更高的极值剪应力,可提高基层-面层层间结合性以及在保障沥青面层模量的基础上适当提升基层模量,有利于陡纵坡段沥青路面的抗剪切能力。

浅埋偏压隧道钢拱架应力分布及变化规律与合理二衬时机研究

依托北京市密云区西统路小西库隧道浅埋偏压段工程,通过理论分析、数值模拟以及围岩监测、量测技术对该隧道钢拱架在不同施工阶段下不同部位应力变化情况进行了研究,得出了钢拱架应力分布及变化规律,获得了满足软弱围岩大断面隧道围岩位移的“空间效应”和“时间效应”的钢拱架拱顶下沉及周边收敛条件下的合理二衬时机,通过比对验证确定了最佳二衬时机,为浅埋偏压软弱围岩隧道及类似工程研究提供了借鉴。

受限场地装配式管廊穿越活动地裂缝土压力演化规律研究

地下综合管廊穿越活动地裂缝时,必将受到地裂缝活动作用影响。为探明地裂缝活动对装配式综合管廊周围土体应力分布的影响,通过物理模型试验,对活动地裂缝作用下管廊与土体接触压力和管廊周围土体压力变化进行了监测,监测土压力位置分别是模型箱底板轴线、管廊底板轴线、管廊底板侧边线、模型箱侧壁以及管廊顶板轴线。试验结果表明,在地裂缝活动作用下,地层裂缝首先出现在管廊下部的地裂缝处,初期反映为剪切裂缝,地表裂缝处于受拉状态;管廊变形对土体竖向应力影响主要集中地裂缝处与管廊上盘末端,上盘土体的受力状态较为稳定,而土层中应力重新分布主要集中在下盘管廊底部,地裂缝活动时,管廊变形对周围土体的影响幅度从底板中线两侧逐渐衰减。研究成果可对地裂缝多发地区装配式管廊的灾害防治与地基处理提供借鉴。

某矿山地应力测试结果及建模反演分析

采用水压致裂法对某矿山进行地应力测试,基于现场实测数据,对地应力大小与埋深的关系进行分析,得到该矿山地应力的分布规律和变化特征。使用有限差分法软件FLAC对矿区地应力场进行反演模拟,模拟结果用来验证地应力现场实测结果的准确性。地应力实测结果表明:该矿区的地应力以水平构造应力为主,平均最大水平主应力方向为N 62.6°E;矿区最大、最小水平主应力以及垂直应力均随着深度的增加而增大;最大水平主应力与垂直应力的平均比值为2.42,最小水平主应力与垂直应力的平均比值为1.49。数值模拟结果表明:孔底监测点地应力反演值与实测值之间最大误差为最大水平主应力的-13.9%,误差大小在合理范围内,验证了现场实测数据的准确性与反演模拟的可靠性,为矿山后续工作提供数据基础。

非线性温度作用下涡旋机涡旋盘多载荷耦合分析

在涡旋压缩机整个工作过程中,因动、静涡旋盘工作环境及受力较为复杂,容易使动涡旋齿产生变形,导致径向间隙密封性能变差,轴向间隙增加,影响涡旋压缩机的工作效率及可靠性。为此,基于有限元理论,采用施加多种载荷的方法,模拟了涡旋压缩机动涡旋盘真实的受力情况,得到了其应力应变的分布规律。首先,通过改进涡旋盘温度载荷的求解方式,计算了涡旋齿壁面流体域的平均温度函数,建立了涡旋齿固体域稳态温度分布模型;然后,对涡旋齿分别施加了温度载荷、气体压力载荷、惯性力载荷、温度-气体压力载荷及多载荷耦合;最后,分析了不同载荷作用下涡旋压缩机动涡旋盘的应力应变分布规律。研究结果表明:温度-气体压力载荷作用时,径向变形规律与气体压力载荷作用时相似,轴向变形规律与温度载荷作用时相似;多载荷耦合作用时,涡旋齿最大变形及应力受惯性力影响较大,且与温度-气体压力载荷作用时相比,涡旋齿最大变形量及应力值的增幅分别为7.97μm与52.5 MPa;不同工作腔内,涡旋齿内侧壁面变形量大于外侧壁面变形量,最大差值为1.11μm;不同工作腔间,内外侧壁面变形量幅值随着气体压缩过程而逐渐降低。

粉质黏土地层矩形顶管施工对地面变形影响实测研究

为了探究粉质黏土地层矩形顶管施工对周边环境的影响,依托郑州某地铁站出入口通道工程,对矩形顶管法施工过程中呈现的地面沉降规律和分布特征进行了研究,并针对工程中土体变形问题给出了相应的措施建议。研究结论如下:地面累计沉降变化共划分为4个阶段,各阶段地面累计沉降变化量占最终累计沉降量的比例分别为24.25%、20.42%、34.38%及20.95%。施工扰动影响范围为典型监测断面前方1.26 w(w为矩形顶管机宽度)至典型监测断面后方1.52 w;加固地层和非加固地层中,施工引起的地层损失率分别为1.01%~1.35%和2.50%~4.10%,横向影响范围分别为2.01 w~2.16 w和2.23 w~2.88 w。

谐波减速器中波发生器不同安装深度下柔轮变形与应力研究

柔轮作为谐波减速器中的核心部件,其性能直接决定着整个减速器整机的传动性能.因此为了探究波发生器不同安装深度对其性能影响的基本规律,从而能够更好地控制性能,本文在建立谐波减速器三维模型基础上,采用有限元法分析了波发生器在不同安装深度下柔轮的变形规律与应力分布.分析结果表明:波发生器安装深度从0.35mm增加到1.15mm时,柔轮最大变形量相对增加了3.43%左右,最大应力相对增加了3.80%左右.波发生器安装深度的变化对柔轮在长轴和短轴处的变形影响较大,并且对柔轮长轴处、短轴处、齿圈前端和筒底过渡区的应力影响较大,而其他位置影响较小.该结果也为其他相关研究提供了有益参考.

谐波减速器啮合特性与应力变形分析

柔轮与柔性轴承是谐波减速器的核心零件,往往因为承受交变载荷而发生疲劳失效。为了更加准确地分析谐波减速器柔轮与轴承变形规律与应力分布,本文建立了一种含完整柔性轴承的礼帽形谐波减速器模型,采用有限元方法分析了柔轮和柔性轴承在不同载荷下的应力分布和变形规律。研究表明,负载变化不会显著影响柔轮与刚轮啮合齿对的接触压力变化;载荷主要是导致柔轮筒体的切应力变化,剪切失效是柔轮杯底断裂的主要原因;轴承滚子及滚道压力分布在加载后出现了明显的位置偏载,与目前理论计算时假设的轴承压力分布显著不同。本文分析结果可为凸轮和柔轮的修形及柔轮的疲劳寿命研究提供参考依据。

汶川地震动摇摆分量参数的衰减特征分析

受接收设备和记录数量的限制,对摇摆分量内在属性及参数的统计分析了解甚少。为揭示摇摆分量的工程特性,便于结构抗震分析合理选取地震动参数,基于“5·12”汶川8.0级地震的348条数据记录,对比分析平动分量和摇摆分量的幅值以及频谱和持时的空间分布特征和随断层距的衰减规律。研究表明:摇摆分量与平动分量相比,在数量上峰值小很多,能量持时稍小且特征周期偏大。摇摆分量参数的空间分布特征为峰值具有沿断层破裂传播方向的方向性效应,峰值比、特征周期、能量持时的方向性效应不明显;除特征周期外,峰值、峰值比和能量持时均存在上下盘效应,上盘大于下盘。随断层距的变化特征为摇摆分量参数与平动分量参数的规律性一致,均表现为随断层距的增大,峰值减小,峰值比、特征周期和能量持时增加。