基于位移等代法的深部直墙半圆拱形隧洞松动圈厚度预测

【目的】位移等代法是在工程实践中被广泛应用的一种等效圆法。为进一步探索该方法在深部非均匀应力场下预测松动圈厚度的工程效果,并建立具有工程适用性的等效圆半径计算公式,【方法】选取深部隧洞常采用的直墙半圆拱形断面为研究对象,根据位移等代法基本原理,利用FLAC~(3D)数值模拟和理论计算相结合的方式,建立了侧压系数λ为1.1~1.5,跨高比b_0/h为1.3~1.5条件下的等效圆半径函数关系式,并应用到江西曲江某煤矿水仓围岩的松动圈厚度预测。【结果】结果显示:根据等效圆公式计算出的水仓围岩松动圈的纵轴厚度为1.41 m,横轴为1.20 m,呈椭圆形;现场实测的松动圈也呈椭圆形,厚度平均值在1.15~1.45 m,其中最大均值在纵轴1.45 m,最小均值在横轴为1.15 m。理论预测值与实测值相吻合。【结论】结果表明:位移等代法适用于深部软岩松动圈厚度预测;所建等效圆半径公式具有良好的工程适用性,可为评价和预测类似隧洞工程松动圈厚度提供一种简化的、可借鉴的方法和思路。

爆炸作用下浅埋直墙拱结构的毁伤评估方法与毁伤判据选择

为提出1种针对爆炸作用下浅埋拱结构毁伤的可靠评估方法,对结构毁伤评估的方法和毁伤判据的选择展开了讨论。通过分析钢筋混凝土直墙拱的土中浅埋爆炸试验以及有限元计算结果,将直墙拱结构爆炸作用下的破坏模式总结为弯曲破坏、弯曲-剪切破坏、局部震塌破坏、局部冲切破坏四种破坏模式。总结了结构目标物理毁伤评估的一般思路,讨论了不同破坏模式下毁伤判据的选择,为结构的毁伤等级评估工作的开展奠定了基础。归纳了毁伤判据与毁伤形态、毁伤等级的映射关系,结合毁伤形态对数值模拟结果划分毁伤等级,并比较了不同毁伤判据对等级评估结果准确性的影响,可为毁伤评估判据的选取提供了参考。

循环加卸载下直墙拱形巷(隧)道应力松弛特性试验研究

针对硬岩应力松弛特性及岩爆研究的不足,开展了低、中、高载荷下的循环加卸载直墙拱形巷(隧)道应力松弛过程试验,得出了应力松弛规律,建立了应力松弛模型,探讨了应力松弛机制。结果表明:在低载荷下的循环加卸载直墙拱形巷(隧)道应力松弛过程均呈现出迅速衰减、逐渐衰减和稳定3个演化阶段,应力松弛规律一致,但随着循环次数的增加,应力松弛时间放缓,应力衰减损失程度在降低;低载荷下的应力松弛过程是巷(隧)道围岩拉应力和压应力同时衰减的过程,内部没有损伤产生,整体未产生破裂;在中等载荷下的循环加卸载直墙拱形巷(隧)道围岩应力松弛过程同样呈现出迅速衰减、逐渐衰减和稳定3个演化阶段,随着循环次数的增加总体上呈现应力松弛时间放缓的趋势,最终同样表现为巷(隧)道围岩拉应力和压应力同时衰减的过程;与低载荷下相比,中等载荷下的应力松弛过程变慢,内部有损伤产生,但后续循环未导致围岩破坏;在高载荷下的直墙拱形巷(隧)道围岩呈现拉应力持续增加和压应力持续减小的过程,巷(隧)道持续损伤破裂,侧帮产生层爆,最终形成V型爆坑,整体呈现两次明显爆裂破坏;采用分数阶微积分理论来描述循环加卸载情况下的应力松弛过程,建立了分数阶模型即应力松弛方程,拟合效果基本吻合;定义了应力松弛度,可以完全反映应力松弛全过程及松弛程度;工程上应采取措施阻止岩爆岩体松弛过程变形发展到临界状态。研究结果对岩爆机制、预测预警及硬岩长期稳定性分析等具有很好的指导和借鉴意义。

隧道围岩结构面倾角对诱发岩爆的影响研究

为了解结构面倾角对诱发岩爆动力失稳行为的影响,通过采用GDEM数值模拟软件,开展了含不同角度闭合多节理的直墙拱形隧道在全断面开挖卸荷作用后对诱发结构面型岩爆的数值模拟研究,分析了隧道在开挖卸荷下围岩的裂纹扩展行为、应力变化、碎块体的体积与块体的弹射速度等力学特征。研究表明,由于围岩内节理倾角空间位置的不同,导致在隧道开挖卸荷后,容易在节理尖端围岩处形成应力集中,造成不同程度的应力重分布,改变了围岩裂纹的扩展行为和承载能力。且围岩破坏模式受结构面倾角的影响明显,缓倾角强化了结构面的抗剪切作用,不易形成岩爆。陡倾角易诱发压剪滑移破坏,诱发岩爆。研究结果对含节理隧道的开挖设计与灾害防治有重要的工程意义和学术价值。

基于图像分析的直墙拱形巷道岩爆片剥试验

针对岩爆片剥研究的不足,基于ImageJ图像分析软件,开展了具有岩爆倾向性的直墙拱形巷道岩爆片剥试验研究,制作了可清晰观测巷道围岩临空面的试样;通过透明亚克力板材对试样进行约束,得到了全巷道临空面片剥现象。结果表明,随载荷增加,灰度孔隙率总体呈现下降趋势,表明巷道临空面超过灰度阈值的面积范围不断增加,灰度值在持续升高,应力在持续增加;随载荷增加,巷道临空面灰度均值总体上在增加,巷道临空面片剥前灰度值升高明显,说明应力在升高,达到临界应力后巷道临空面产生片剥;总体上来看,颗粒数量是在逐步减少。巷道临空面片剥前灰度孔隙率、灰度均值、颗粒数量均有明显变化,可通过这些参数来综合反映巷道岩爆片剥的演化规律及前兆,并通过图像分析来揭示岩爆片剥问题。

爆炸作用下浅埋拱结构轴向荷载分布

为探究土中浅埋直墙拱结构轴向荷载分布规律,利用LS-DYNA软件模拟了在不同爆炸距离和装药量条件下结构的轴向荷载分布情况。对比不同装药质量及不同爆炸距离作用下轴向荷载的分布形态发现,对于发生整体响应的结构,其轴向荷载分布形态仅受爆炸距离控制,并可用正态分布函数描述。基于对爆炸距离与荷载分布形态的函数关系拟合,得出了爆炸作用下拱结构轴向荷载分布形态的计算方法。基于正态分布置信区间理论,计算不同置信区间的结构响应,提出了一种确定拱结构轴向荷载计算范围的方法。

望云煤矿开拓大巷穿越断层破碎带支护研究

为保障望云煤矿开拓大巷穿越断层破碎带的施工安全及长期稳定,通过钻孔窥视、数值模拟等方法,探究断层构造影响下围岩松动圈发育特征,以组合拱理论为基础对锚杆、锚索支护进行优化设计,采用可伸缩U型钢架提高支护强度,数值模拟验证支护方案的可行性,实现了快速顺利通过F15断层,为后续巷道支护及施工提供可靠参考。

自密实混凝土拱形结构脚手架的力学性能研究

拱形结构造型优美、受力合理,在建筑结构的设计中被广泛使用,但是由于自身结构的复杂性,在对其进行浇筑时,胶凝材料的选取、安全性等方面,导致施工过程易出现一些问题。为研究拱形结构在施工过程中的安全性、稳定性及新材料C60高性能自密实混凝土的工程效果,以某大跨拱形结构为工程背景,利用有限元软件建立施工阶段拱形结构精细化模型,将荷载分为三种工况施加到模型中,综合分析脚手架在施工过程中的强度及稳定性,并结合现场施工情况对C60自密实混凝土的工程效果做出评价,得出了有益的结论。

深部直墙拱形隧洞围岩板裂破坏的模拟试验研究

为了解深部直墙拱形隧洞板裂破坏的发生过程和机制,采用TRW-3000真三轴试验系统对含直墙拱形孔洞的红砂岩立方体试样(100 mm×100 mm×100 mm)进行了真三轴试验,模拟了深度500 m初始地应力环境下直墙拱形隧洞板裂破坏过程,并利用岩样内部破坏视频监控系统对试验过程进行实时记录和监测。试验完成后,对试验过程中孔洞侧壁破坏过程、破坏特征进行了分析,并与同等深度的圆形孔洞洞壁破坏进行了对比。结果表明:在竖直应力为最大主应力和水平径向应力为最小主应力的条件下,直墙拱形孔洞破坏主要发生在两侧拱脚和拱腰之间,靠近自由面的围岩破裂为近似平行于最大主应力的板状薄岩片,呈典型的张拉板裂破裂特征;随最大主应力的增加,板裂破坏逐渐向孔洞水平径向发展,板裂岩片呈现中间厚、两翼薄的弧形特征,最终形成对称的V型槽破坏区,并具有明显的时间效应。与圆形孔洞的动力破坏特征相比,直墙拱形孔洞主要偏于静力破坏,且初始破坏所需应力水平高,孔洞侧壁在高应力环境中破坏更严重。

直墙拱形巷(隧)道岩爆试验及劈裂与剪切分析

针对岩爆试验及监测研究的不足,开展了直墙半圆拱形巷(隧)道岩爆单轴压缩试验、声波监测及岩爆破裂的劈裂与剪切分析。结果表明,巷(隧)道围岩呈现起伏粗糙破裂面和劈裂后的薄块体,试样整体也呈现出明显的劈裂岩爆现象;波速可以很好地反映围岩内部损伤演化进程,将围岩波速由持续不变到开始变小点作为临界损伤点,可以通过监测波速变化进行围岩岩爆的预测预报;通过监测声波波形尤其是对波形稀疏、周期变长的监测,可以很好地掌握围岩内部的全程发展变化情况;通过综合监测声波的波速、波形稀疏、周期变长,达到定性、定量相结合,及时、准确地预测、预报岩爆,以保障人员、设备安全;得出了由应力强度比和压拉比来判定劈裂岩爆发生的综合表达式以及与应力强度比岩爆烈度分级标准相对应的压拉比数值;劈裂岩爆发生的应力强度比即应力判据在0.27~0.80之间(R为10~30时);随着满足劈裂岩爆发生的应力强度比的增大,其越接近满足剪切破坏条件,破坏主要形式将向剪切破坏方向发展。

直墙拱顶地下结构受爆炸地震波作用的动力响应

研究有弹性垫层的地下直墙拱顶结构在爆炸地震波作用下动力响应,采用共同变形理论及矩阵力法考虑衬砌与围岩的相互作用建立爆炸地震波作用的地下防护结构动力响应快速计算方法。分析围岩等级、垫层参数及荷载作用形式等对典型直墙圆拱结构动力响应影响。结果表明,围岩等级对结构动力响应具有显著影响,围岩质量越好结构位移、内力越小;垫层有延迟响应、降低响应峰值作用,荷载作用形式也有一定影响。

直墙半圆拱形钢管混凝土支架力学性能实验及应用

为研究直墙半圆拱形断面巷道面临的支护难题,设计了直墙半圆拱形钢管混凝土支架与U型钢支架力学性能对比实验;实验全面测试并分析了钢管混凝土支架的承载力、位移与应变,同时分析了热煨弯曲对钢管原材料抗拉性能的影响及C60混凝土配合比合理性;实验证明钢管混凝土支架具有突出的承载优势。在实验指导下,对华丰矿-1100水平大巷动压巷道和大淑村矿-450水平新东翼皮带巷高应力集中巷道做了直墙半圆拱形钢管混凝土支架支护设计并应用,实践证明钢管混凝土支架支护效果明显,优于同断面U型钢支架,同时也发现直墙半圆拱形封闭支架的底角为薄弱点,并进行了改进与结构强化。

直墙半圆拱U型钢封闭支架控底力学模型及应用

针对深部巷道底臌治理难题,建立了直墙半圆拱整体支架的力学模型,运用极限载荷法推导了高应力条件下的支架承载能力和反拱临界失稳载荷,将反拱拱高与半径的比值定义为反拱控底影响因子ζ,研究了ζ在0-0.7范围内不同巷道宽度的反拱支架受力特征及稳定性。计算表明：对于净宽为5 m的巷道,反拱矢跨比宜取值在0.2-0.3,反拱控底影响因子和反拱半径的最佳取值分别为0.2和4 m,在淮南矿业集团丁集矿西11-2开拓巷道50 m试验段工程实践表明该支架对底臌具有良好的控制能力,2 a期的巷道底臌小于50 mm,且不需要卧底返修。

含直墙拱形洞室坚硬流纹岩双轴压缩试验研究

为揭示含直墙拱形洞室岩石的变形及破裂规律,本文利用现场采集的流纹岩,制取圆柱形试样和内含直墙拱形洞室的方形试样,对圆柱形试样进行单轴压缩试验检测其力学特性,对含直墙拱形洞室的方形试样进行双轴压缩试验,检测其围岩变形和破裂特征。研究结果表明:单轴压缩试验中,流纹岩表现出明显的脆性特征,产生竖向劈裂破坏;含拱形洞室岩样破坏时首先在起拱线和拱脚处出现裂纹,随着荷载增大,裂隙不断向加载端面扩展并相互连接,拱形洞室底部和直墙出现片帮现象,拱脚压剪破碎,拱顶张性裂隙贯通形成稳定楔体;随着竖向外荷载的增大,拱形洞室围岩竖向和水平应力变化规律与洞室边界形状及与洞室距离有关;起拱线和拱脚处应力集中明显,拱脚处应力集中程度较大、主应力方向变化不稳定是造成局部破碎的主要原因。试验成果可以为裂隙发育岩体中隧道围岩稳定性研究提供参考。

直墙拱形巷(隧)道岩爆破坏模式及能量分析

针对现有岩爆研究的不足,在物理模拟试验的基础上分析了直墙拱形巷(隧)道岩爆破坏机制及模式,得到了考虑破坏模式的岩爆条件并在此基础上进行了因素敏感性分析。研究表明,根据围岩变形和破坏区被约束程度的不同,岩爆破坏将呈现劈裂破坏、劈裂-剪切破坏和剪切破坏,劈裂-剪切破坏和剪切破坏源于围岩变形的不一致;弯曲应变能是围岩卸荷后由于变形不一致产生的并随着卸荷后载荷的增加而增加,正因为存在变形的不一致才呈现出了不同的破坏形式和爆坑;定义了岩爆危险系数,其值可作为衡量岩爆危险性的度量;高应力区围岩岩爆所需的临界a0(开挖卸荷面爆体中部挠度)是很小的;在a0一定的情况下,劈裂岩爆发生时的破坏区高度范围和深度具有一致的发展趋势;开挖卸荷后的a0值对围岩岩爆的发生与否、强度大小的影响明显。

条形装药爆炸条件下地下结构的动力数值分析

军事地下工程多采用直墙拱结构形式，实战中美军大量使用的精确制导炸弹装药可视为条形装药。为研究近区爆炸条件下条形装药对直墙拱结构的动力响应影响问题，利用LS—DYNA程序进行了条形装药爆炸条件下地下直墙拱结构的动力数值分析。通过对比集团装药的数值模拟结果，发现在条形装药垂直入射结构拱项时，直墙拱顶的有效应力峰值高于集团装药达25％。因此，如果按传统方法将精确制导炸弹装药视为集团装药，进行防护工程结构计算和设计偏于不安全，根据数值计算结果提出了防护工程结构设计参考建议。

多向均布荷载条件下直墙与拱形密闭墙受力分析与比较

密闭墙是煤矿井下起隔离和封闭作用的主要通风、安全设施之一,在井下使用非常广泛,目前已形成了喷浆混凝土、砖石等多种密闭墙形式。但目前无论何种材质的密闭墙体施工,多采用四周掏槽的一字梁形式直墙,然而直墙存在工艺复杂、掏槽施工难度大、施工质量监管难度大、侧向承受灾变矿压能力小、垂向受动压影响容易开裂失效或被推倒等缺点,继而可能会形成施工方偷工减料、质量差不达标、受力强度小的密闭墙,为井工煤矿生产埋下安全隐患。提出一种拱形密闭墙体构筑工艺,调研了拱形结构在工程实践中的应用现状,从多向均布荷载受力角度与直墙进行了比较与分析,研究得出,拱形密闭墙体具有施工工艺简单、高效、承载力高、抗冲击性好等优点,在井工煤矿密闭墙中具有较好的推广意义。

直墙半圆拱U型钢支架截面应力分布规律研究

针对直墙半圆拱U型钢支架截面应力规律分布问题,通过直墙半圆拱U型钢支架所使用的金属材料进行拉伸实验,获取其材料属性参数,并基于实验参数,采用数值模拟分析了不同型号直墙半圆拱U型钢支架截面剪切应力、轴向正应力以及Mises应力,得出结论:支架的切应力分布复杂,轴向正应力及Mises关于中性轴线性分布且远大于剪切应力,最大正应力和最大Mises应力基本相同,出现的位置相同,因此可以采用最大正应力代替最大Mises应力来校核支架的强度。

地压模拟实验巷(隧)道成形装置及教学应用

研制了直墙半圆拱形巷(隧)道围岩断面成形装置并在此基础上进行了物理模拟实验教学应用,其他的断面形状可依此原理制备。结果表明,研制的直墙半圆拱形巷(隧)道模拟实验成形装置实现了围岩成形与卸荷的一体化,在先开挖和后开挖实验中均适用,成形方便,而且在成形瞬间围岩表面完整、光滑;该装置即可满足实验教学的要求也可用于科学研究。

地下坑道对其临界震塌爆距处钻地武器爆炸载荷的动力响应

利用非线性显式动力有限元程序,采用多物质流固耦合计算方法,就GBU-28钻地弹在地下坑道临界震塌爆距处爆炸时,对地下直墙拱坑道的动力响应进行数值模拟。根据围岩动力稳定性和混凝土动态强度判据,结合模拟结果,分析衬砌结构与围岩的相互作用。钻地弹在直墙圆拱断面的坑道临界震塌爆距处爆炸时:围岩处于临界破坏状态,但混凝土衬砌结构处于稳定状态;拱顶的应力峰值明显,且柱状装药情况下,爆炸近区的应力较集团装药情况下的大;拱肩位置出现应力集中;围岩与衬砌结构特征位置处的相互作用载荷与对应质点的振动速度相互耦合,基本成对应的关系。