不同侧压比荷载下U型约束混凝土拱架全尺寸试验研究

以直腿半圆形UCC拱架为对象,进行了不同侧压比荷载条件下的全尺寸拱架试验研究,从变形破坏形态、承载力、材料应变等方面进行对比分析,掌握了新型拱架的承载特性和屈服失稳机制。拱架受力初期处于线弹性变形阶段,拱架内力呈显著压弯状态,由于部分截面出现了强度破坏而导致拱架整体屈服,而后随持续加载拱架出现整体结构失稳,进而彻底丧失承载能力。UCC29试验拱架在λ=1.0加载条件下整体屈服承载力为1 230 k N,是相同尺寸U36拱架的1.56倍。拱架屈服承载力随侧压比λ(λ≥0.5)呈指数型降低趋势,且拱架变形形态及危险截面位置也受侧压比影响显著。对于直腿半圆形拱架而言,侧压比在一定范围内越小,拱架内力越接近轴压状态,拱架能够承担的荷载也越高。

黏性土中裙式吸力基础沉贯与注水拔出试验研究

开展模型试验研究海洋黏性土中裙式吸力基础沉贯和注水上拔特性,并研究了土体强度、基础尺寸和安装方式等影响因素。研究表明:主桶长径比为1.0和2.0的裙式吸力基础最终沉贯深度较相同高度传统吸力基础仅降低2%和6%,证实了裙式吸力基础在黏性土中具有良好沉贯性。主桶和裙结构在吸力沉贯时对土体造成扰动,导致吸力沉贯阻力小于压力贯入时的阻力。基于极限平衡方法,提出了裙式吸力基础在黏性土中的沉贯阻力与所需吸力的计算公式,并验证其准确性。得到传统和裙式吸力基础在注水拔出过程中基础内部水压力、上拔阻力与基础上拔位移之间的关系,发现基础内部水压力随上拔位移先迅速增加至最大值,然后逐渐降低,裙式吸力基础最终上拔位移小于相同基础高度的传统吸力基础。得到了裙式吸力基础注水拔出阻力计算公式。

风电空心锥形基础水平承载特性及土压力分布规律模型试验研究

空心锥形基础是一种新型陆地风电基础形式。开展粗砂中空心锥形基础的水平单调加载模型试验,研究基础尺寸、加载高度对水平承载力、基础周围土压力分布规律的影响。研究表明锥形基础水平承载力随底板直径增加而显著提高,随加载高度增加而降低。当无量纲化加载高度H/D0(H为加载高度,D0为基础顶板直径)由0.5增至1.0时,锥形基础水平承载力减小约43%。相同顶板直径和基础高度条件下,基础底板与顶板直径之比大于0.28时,锥形基础水平承载力高于圆型基础。水平荷载作用下,空心锥形基础绕一点发生转动,转动点沿加载方向基础前侧移动。加载过程中,沿加载方向基础前侧土体处于被动土压力区,土压力延基础埋深近似呈倒三角形分布,被动土压力区范围值随水平荷载增加而逐渐减小。基于极限平衡法,提出了水平荷载下基础与土体脱空面积的计算方法,采用模型试验数据验证了其准确性,模型试验与计算结果误差为4.5%。

钢管混凝土拱架在巷道支护中的发展与现状

为厘清钢管混凝土拱架支护的发展脉络,全面掌握其应用及研究现状,首先对常规U型钢拱架支护现状及问题进行了分析和评述,明确了钢管混凝土拱架支护技术的产生和发展背景。在此基础上,分别从基本原理、现场实践、力学试验、数值模拟、理论计算等方面对发展现状进行了详细分析和阐述。最后,总结了钢管混凝土拱架支护目前的发展形势及显著优势、存在的理论和技术问题及下一步研究重点。主要结论显示:1以2000年为界,可将钢管混凝土拱架支护发展大致分为尝试性实践阶段和研究应用阶段,十余年来发展愈发迅速且获得了良好的支护效果及经济效益反馈;2开展了上百次拱架及构件力学试验,初步掌握了其宏观承载特性,但对承载失效机理的认识尚待深入,同时缺少统一的试验规范;3拱架承载力计算采用轴压极限承载判据,不能满足精度要求;4拱架-围岩相互作用等理论问题及部分关键技术难题,使钢管混凝土拱架支护体系设计理论尚不完善,目前设计施工仍以经验为主。

基于颗粒离散元法岩石压缩过程破裂机制宏细观研究

为了研究岩石在压缩荷载作用下的破裂机制,基于颗粒离散元法,对岩石压缩荷载作用下内部颗粒组分的宏细观力学响应进行研究,得到岩石压缩破坏过程中颗粒旋转弧度、颗粒间接触力、颗粒竖向位移以及细观裂纹的演化过程。研究结果表明:岩石宏观破裂过程是在外部荷载作用下,内部组分之间相互作用导致的岩石试件由静态到动态、由局部到整体、由细观到宏观的不断演化的过程,并最终形成宏观上的破裂带。研究结果从细观层面揭示岩石的破裂机制,对岩体工程稳定性的评价、地质灾害发生的预测等具有参考价值。

砂土中桶形基础吸力值的设定范围

吸力桶形基础沉贯与所施加的吸力密切相关,吸力值设置太小会导致吸力基础沉贯速度过慢,施工效益降低;吸力值设置太大将产生较高的桶内土塞,吸力基础下沉不到预定位置,从而使其承载力达不到设计要求,或引起砂土地基产生管涌破坏,因此必须确定合理的吸力值以满足工程建设需要。通过吸力桶形基础的静力平衡条件获得了沉贯所需最小吸力值;根据桶壁底部土体破坏特性,并依据Hencky应力方程建立了桶壁内、外侧土体之间的有效应力表达式,求解了土塞加速上升时的临界吸力值;基于吸力桶形基础内部砂土的管涌破坏机制确定了最大吸力值,结合最大和最小吸力的理论公式得到了吸力桶形基础的最大沉贯深度。最后,采用实例数据验证了所提出的最小、临界和最大吸力理论公式的合理性。

大变形锚杆-围岩耦合模型及其计算方法

在矿山、水利、交通等工程领域中大变形锚杆已经获得了广泛的认可和应用,而相应理论水平落后于工程实践的现状则限制了大变形锚杆支护技术的进一步发展。针对大变形锚杆的力学及变形特性,提出了一种锚杆-围岩耦合作用结构模型,并基于塑性增量理论,从锚杆-围岩相互作用的角度,提出了大变形锚杆加固岩体的求解方法,推导了加锚岩体的平衡方程、位移协调方程和锚杆响应方程。在Visual Basic开发环境中编制有限差分计算程序,利用龙格库塔法求得了大变形锚杆-围岩耦合模型的半解析解,并通过数值模拟验证了理论模型的有效性。基于上述理论模型和计算方法,不仅可以计算得到大变形锚杆轴力和剪应力分布情况,定量分析其支护效应,还可以系统地求得加锚岩体的地层响应曲线及锚杆自身的响应曲线,对于地下工程中大变形锚杆的支护设计有基础性指导意义。

考虑水力耦合的射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法

以多孔介质流体渗流和围岩应力耦合理论为基础,提出一种基于有限容积法(FVM)的水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法。首先,考虑初始地应力和流体渗流对射孔围岩的影响,运用坐标转换和叠加原理得到围岩应力分布。其次,考虑围岩渗透率和孔隙度的应力敏感性,通过渗流力学分析确定射孔围岩的流体压力。最后,探讨水力压裂射孔围岩破裂准则的基础上,构建考虑水力耦合的射孔围岩水力压裂力学模型,并基于有限容积法对渗流方程和应力方程予以离散,提出水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法。该方法实现了流体渗流与围岩应力的耦合,可精确求解水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂压力和破裂时间,亦能对流体压力和围岩渗透率演化予以准确描述。相关成果丰富了水力压裂破裂机理的研究,亦可对实际工程设计提供重要的参考。

砂土中吸力式桶形基础竖向承载性状研究

吸力式桶形基础的竖向承载力是工程设计中的重要问题,其承载力主要由桶壁摩阻力、桶尖端承载力及桶内部土体的支撑力三部分组成。在同种砂土地基中桶基础的直径、桶高以及在地基中的埋深直接影响着上述三部分力的大小。分析了桶壁摩阻力和桶尖端承载力随埋深的变化关系式,提出了计算地基承载力的解析表达式。并通过试验数据验证解析式的准确度,结果两者误差均在15%以内,所提出的解析表达式适用于地基承载力的计算。

砂土中陆地风电空心锥形基础水平承载力的影响因素分析

空心锥形基础是一种新型的陆地风电基础形式,其主控荷载为水平荷载和倾覆力矩。开展砂土中锥形基础水平单调加载模型试验,研究加载高度、加载速率和模型尺寸对基础水平承载力的影响,并对比分析相同质量和径高比的锥形基础与圆形基础的水平承载力大小。研究表明:锥形基础水平极限承载力随加载高度增加逐渐降低;加载速率对锥形基础的水平极限承载力影响较小;径高比和底板尺寸是影响锥形基础水平极限承载力的主要因素,当基础径高比为5.5时,锥形基础水平承载力最大;增大底板尺寸可有效控制基础水平侧移;基础失稳破坏形式为转动破坏;相同质量的锥形基础和圆形基础相比,锥形基础的水平承载力是圆形基础的1.1~1.2倍。

不同剪切速率下吸力基础-黏土界面剪切特性研究

采用GDS界面剪切仪,开展不同剪切速率下吸力基础-黏土界面剪切试验,研究了沉贯过程中基础沉贯速率对吸力基础-黏土界面剪切特性的影响,分析了不同剪切速率、不同沉贯深度下的界面剪切特性。试验结果表明,吸力基础-黏土界面的抗剪强度随着法向应力的增加而增大,但随着剪切速率的增加而减小;界面峰值强度对应的剪切位移均在1 mm以内,且随着法向应力的增加而增大;界面凝聚力与剪切速率呈正相关,界面摩擦角则相反。在沉贯速率1.0~1.2 cm/min范围内,界面凝聚力增加幅度最大。摩擦系数在0.27~0.34变化,且随着沉贯速率的减小而增大,随沉贯深度的增加呈现减小趋势。

地铁运行下环境隔振措施研究

以青岛地铁为研究背景,采用有限差分软件FLAC3D对地铁运营导致环境振动的传播规律进行了系统研究。重点从振动的传播路径、受振建筑物两方面提出连续屏障和砂垫层隔振两种措施,并采用FLAC3D模拟各自隔振效果。研究表明:对于连续屏障隔振,明沟的隔振效果优于有填充物屏障的隔振效果;振幅衰减系数变化规律表明充填物的弹性模量是影响屏障隔振效果的主控因素,屏障深度和厚度次之;砂垫层具有较好的隔振效果,且其厚度和弹性模量对隔振效果的影响都较显著。

冻融环境下地聚物混凝土和螺纹钢筋粘结性能

寒冷地区临海、盐碱土壤或冰盐环境中的混凝土结构因遭氯离子腐蚀和冻融循环的共同作用使得钢筋与混凝土间的粘结性能劣化,甚至会导致构件过早失效。为了分析在冻融循环和氯离子腐蚀耦合作用下地聚物混凝土与螺纹钢筋间粘结性能的变化规律,通过拉拔试验研究了地聚物混凝土与螺纹钢筋在此环境下的粘结性能,分析了保护层厚度、盐溶液浓度和冻融次数对极限粘结强度及粘结-滑移曲线的影响。结果表明:盐冻循环和水冻循环试件与未冻融试件破坏模式相同,均为劈裂破坏;但与未冻融的试件相比,极限粘结强度总体上降低,经过50次冻融循环后,盐冻和水冻试件的极限粘结强度为未冻融试件的56%~67%和80%左右;最后,基于试验数据,提出考虑冻融次数和盐溶液浓度影响作用下地聚物混凝土劈裂抗拉强度以及极限粘结强度的拟合公式,为混凝土结构的工程应用提供理论参考。

山区风电临坡圆形基础倾覆失稳对坡体变形的影响

山区风电塔架均修建于山区丘陵坡顶。若风电基础倾覆失稳,将对边坡稳定性造成影响。通过数值模拟方法,研究了临坡圆形基础倾覆失稳引起的边坡土体变形,讨论了基础直径、边坡角对坡体变形的影响。结果表明:坡面隆起随基础直径增大使坡面隆起量增大,随临坡距增大而减小,临坡距e/D=3(e为基础边缘距离边坡距离,D为基础直径)较e/D=5时最大隆起值增大了143%。此外,边坡角增大不仅使坡面隆起增加,而且边坡土体变形范围增大。讨论了基础转动点与基础临坡距离之间的关系,发现圆形基础的转动点位置随临坡距增加呈先上升后下降的趋势。

饱和砂土中裙式吸力基础水平循环特性和累积转角变化规律

裙式吸力基础是一种新型海上风电工程吸力基础形式。采用模型试验研究水平循环荷载作用下,传统和裙式吸力基础的累积转角变化规律和影响因素,循环加载方式包含单向循环加载和变幅循环加载。试验结果表明:传统和裙式吸力基础循环累积转角主要发生在前200次循环,循环累积转角随循环荷载幅值和循环次数增加逐渐增大,累积转角增长速率随循环次数增加逐渐减小。基础累积转角与循环次数之间的关系可用幂函数进行表达。采用Leblanc方法和Miner准则,对长期变幅循环加载下基础累积转角转化为等幅循环荷载进行分析,预测了基础累积转角,发现循环荷载的顺序和循环荷载幅值对基础累积转角有一定的影响。荷载幅值逐级增大条件下,预测的基础累积转角略高于实测值。另外,研究了循环加载过程对基础水平极限承载力的影响,基础水平承载力较循环加载前有一定提高。研究成果能为海上风电吸力基础的设计提供依据。

砂土中黏粒含量对渗透性的影响

边坡滑动、地基液化等灾害现场土体中都含有一定含量的黏粒,且黏粒对砂土液化影响显著,因此研究不同黏粒对砂土力学特性的影响具有重要的工程意义。通过常水头渗透与变水头渗透试验,测定了纯砂及掺入不同黏粒后砂土的渗透系数。探讨了干密度、孔隙比与渗透系数之间的关系,分析了不同种类黏粒的砂粒间孔隙比对砂土渗透系数的影响。结果表明:黏粒含量越大,砂样的渗透系数越小;膨润土较高岭土对砂土渗透系数的影响更为显著;含黏粒的砂土砂粒间孔隙比随着黏粒含量的增加而增大。

软岩巷道锁拱锚杆精细化数值模拟研究

锁拱锚杆是软岩巷道支护中拱架失效的常用防控措施,但是其参数设计缺少依据。为研究锁拱锚杆位置、长度参数对巷道支护效果的影响规律,以典型软岩巷道为工程案例,采用自主开发的锚杆-拱架联合支护精细化模拟技术开展了数值模拟试验。结果表明:无锁拱方案围岩变形量大,拱腿率先变形,随后与围岩分离,最终导致支护体系失效;而锁拱锚杆控制了拱腿内弯变形且防止了拱架与围岩分离,保证了支护体系的完整性,支护效果明显改善;巷帮内移量和塑性区体积随锁拱点高度H的增加呈现先减小后增大的规律且影响显著,支护效果随锁拱锚杆长度L的增大趋好但并不明显。基于研究结论确定了锁拱锚杆优化参数(H=1.0 m,L=3.0 m),现场实践表明效果良好。

深部厚顶煤巷道锚索梁布置方式作用机制研究

巨野矿区赵楼煤矿千米深井工作面顺槽多为典型厚顶煤巷道,围岩稳定性差,巷道破坏严重,控制困难。针对该问题,根据顶板锚索梁的不同布置方式,设计了横梁、纵向单梁、纵向双梁及纵横组合4种锚索梁支护对比方案,通过数值模拟得到了不同布置方式下围岩内部应力分布状态。结果显示：纵横组合方案作用下顶板连续受压区范围及数值最大（应力0.025-0.04MPa）,纵向单梁方案次之。分析其作用机制在于：纵向单梁方案中锚索和钢梁共同作用对顶板巷中部位的围岩产生更强的控制作用,形成的受压区面积和压应力值较大;纵横组合方案在纵向单梁方案优势基础上进一步增强了支护系统对巷中两侧顶板煤岩流动的控制,将顶板煤岩保持在相对更好的受力状态。最后通过现场试验对各方案的围岩控制效果进行了对比分析,验证了上述机制分析结论的正确性。

基坑开挖对临近既有地铁隧道影响分析

为研究基坑开挖对临近既有地铁隧道结构的影响,以济南历下医养结合中心项目近接地铁R3线施工为工程背景,开展风险判定并采用FLAC3D进行大型三维数值模拟研究。结果显示:基坑外部作业对地铁隧道的影响等级为二级;隧道开挖引起地表沉降模拟结果与实测数据基本吻合,数值模拟结果较可靠;基坑开挖引起左线隧道竖向位移最大-2.27 mm、水平位移最大4.59 mm,右线隧道竖向位移最大-3.0 mm、水平位移最大5.19 mm,左线隧道轨道竖向位移最大-2.27 mm、轨向高差最大0.528 mm,右线隧道轨道竖向位移最大-3.0 mm、轨向高差最大0.763 mm,均出现在B基坑西侧;基坑开挖引起径向附加压力很小,在10~20 kPa范围内。总体上基坑开挖对隧道结构造成的影响均小于规范限值。

砂土中裙式吸力基础上拔过程的反向端部承载力与土体变形规律

为了探究砂土中裙式吸力基础上拔过程中的承载特性,通过上拔模型试验,研究了裙式吸力基础在裙封闭状态下的抗拔承载力以及考虑不同上拔速率下裙式吸力基础反向端部承载力和基础周围土体的变形规律,探讨上拔速率和裙结构尺寸分别对裙式吸力基础反向端部承载力和周围土体变形的影响。结果表明:随着上拔速率的增大,裙式吸力基础的主桶反向端部承载力与裙结构反向端部承载力逐渐增大;裙宽是影响裙式吸力基础反向端部承载力的主要因素;裙结构尺寸和拔出速率对基础周围土体变形影响显著。