拱脚局部加长锚杆锚固洞室抗爆模型试验研究

 根据Froude相似理论,开展拱脚局部加长锚杆和等长锚杆加固洞室抗爆对比模型试验,分析各洞室受力变形特性和围岩破坏形态。研究结果表明：与等长锚杆相比,在爆心离洞室很近的极端情况下,拱脚局部加长锚杆起到“密闭”爆炸荷载的作用,增大洞室拱部的爆炸荷载,带来洞室拱顶底板相对位移的快速增长;在爆心离洞室较远的一般情况下,拱脚局部加长锚杆具有承担或转移较多爆炸荷载的作用,不仅能明显减小洞室附近的爆炸压力、洞室拱顶底板相对位移、拱脚压应变峰值和残余值,而且还能明显减少和减轻围岩裂缝数量和开裂程度,有效阻断裂缝的发展和延伸,有利于提高洞室的抗爆能力。     

外部连接全长黏结式锚杆和弹力式锚杆 抗爆加固效果模型试验研究

 利用实验室抗爆模型试验装置,研究在平面装药爆炸应力波的作用下,外部连接全长黏结式锚杆和弹力式锚杆对洞室围岩的不同加固效果。通过分析自由场爆压时程曲线,发现该试验仪器测试效果较好,并分析和比较2种锚杆加固所造成的洞室围岩拱顶位移、洞壁应变和拱顶、底板及侧墙加速度的差别。试验结果表明：经过外部连接全长黏结式锚杆加固的洞室比弹力式锚杆加固的洞室拱顶位移峰值减少明显;在平面波的作用下,3个洞室洞壁各个位置都是产生压应变,最大应变出现在拱脚处;拱顶加速度是振动最激烈的地方,底板加速度在变形不大时加固洞室增加较大,必要时应该采取减震措施;对比2个加固洞室的最大应变峰值和加速度,发现外部连接全长黏结式锚杆相对较小,说明对洞室围岩的加固宜采用外部连接全长黏结式锚杆。     

爆炸荷载下深部围岩分区破裂模型试验研究

为研究爆炸荷载效应对深部围岩分区破裂的影响,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为原型,借助胶结砂相似材料和深部巷道围岩破裂机制与支护技术模拟试验装置,在高轴地应力条件下开展深部围岩爆破开挖三维相似模型试验。模型试验结果表明:爆炸应变波信号包含压应变和拉应变,但以初始压应变为主,其随传播距离增大迅速衰减。爆炸荷载在洞壁附近产生了大量的微裂纹,导致其力学性能劣化和完整性降低,同时引起地应力的调整。轴向超载完毕,拱顶、侧墙和底板部位径向拉应变随距洞壁距离增大呈现出波峰与波谷间隔分布的波浪变化;在高轴地应力作用下,爆破荷载产生的微裂纹扩展、贯通,形成宏观破裂区,模型巷道侧墙围岩最先断裂破坏,随后是底板围岩,拱顶围岩最晚断裂,产生了明显的分区破裂现象。     

地下洞库围岩外加固抗炸弹爆炸性能研究

 为进一步提高已建地下洞库的抗爆炸性能,本文提出了对洞库围岩采用交叉锚固进行加固的方法,并通过相似模型试验对加固前后的洞库模型进行了爆炸对比试验;在采用数值模型计算验证后,利用数值模拟的方法分析了锚索参数以及围岩强度对洞库抗炸弹爆炸性能的影响。研究结果表明：在相同的爆炸荷载作用下,加固围岩洞室衬砌结构的压力峰值、加速度峰值、拱顶位移峰值及整体破坏程度均小于未加固围岩洞室,加固围岩的爆腔体积、塑性区半径均较小,岩体内裂缝较少,爆点附近岩体耗散的爆炸能量较多;加固锚索面积越大、倾角越大、间距越小、长度越大、加固围岩材料强度越高时,洞室衬砌拱顶的位移响应峰值越小,且锚索角度的影响最大,围岩强度和锚索间距的影响其次,锚索面积和锚索长度的影响较小。论文研究可为地下防护工程设计和坑道围岩加固提供参考。     

节理边坡与锚杆耦合作用的空间效应分析

编制符合实际受力和变形情况的锚杆数值计算单元,利用拉格朗日差分计算方法建立节理岩体边坡的数值分析模型,分析锚杆在节理滑移和张开情况下的受力特征,以及与边坡岩体之间的相互耦合作用效果,结果表明:边坡在锚杆加固后,仍存在较大的变形,锚杆起到柔性加固作用;由于锚杆的加固作用,在节理面两侧岩土体的位移变化不大,锚杆对节理岩体起到了拉结作用,但这种拉结作用仅在滑体发生运动后才能产生;由于滑体的运动,导致与之相交的锚杆产生较大轴力,在与节理相交部位均存在锚杆轴力的峰值,从而锚杆呈现轴力多峰值的形态.     

拱顶端部加密锚杆支护洞室抗爆加固效果模型试验研究

采用抗爆模型试验方法,研究了在集中装药爆炸应力波的作用下,拱顶端部加密锚杆支护洞室抗爆效果。通过分析压力时程曲线,证明测试数据规律性合理,数据可靠。分析和比较了拱顶端部加密锚杆支护洞室与不加密锚杆支护洞室所造成的洞室围岩拱顶位移、洞壁应变、顶底板加速度和洞室宏观破坏形态,得出拱顶端部加密锚杆支护洞室抗爆加固效果不佳。     

爆炸平面波作用下大跨度洞室的抗爆性能研究

为研究大跨度洞室在爆炸平面波作用下的抗爆性能,采用Froude相似理论对大跨度洞室在锚喷衬砌支护与不支护两种情况下进行抗爆模型试验,比较和分析两种洞室在不同工况下位移、应力、和应变的差别。结果表明,两种洞室的拱顶位移集中现象最明显,开始毛洞拱顶垂直应力略大,但随着药量的增加和爆距的减小,支护洞室拱顶应力逐渐增大直至大于毛洞受力。以其临界破坏荷载计算安全系数显示:毛洞仅相当于支护洞室的50%。对洞室的临界破坏进行数值模拟发现:各工况下,毛洞拱顶部位及其周边岩体产生的位移形变均大于支护洞室,主要是锚喷衬砌支护对洞室周边围岩的刚度、密度影响,减小拱顶荷载集中,增强了洞室的抗爆能力。数值模拟与试验结果基本一致,表明研究结论可靠性较高,对后续开展大跨度洞室抗爆模型试验和抗爆加固技术研究具有重要的参考价值。     

洞室围岩交叉锚固结构抗爆性能模型试验研究

为进一步提高已建成地下洞室的抗动载能力,本文提出围岩外交叉锚固的方法对洞室进行加固;随后利用相似理论建立了洞室外交叉锚固的试验模型,并对加固后的洞室模型进行了爆炸试验;通过采集分析影响洞室稳定性的拱顶位移、拱顶和底板部位的加速度参数,对比研究了外交叉锚固洞室的抗爆能力。通过模型爆炸试验得到:在相同爆炸荷载作用下,经过外交叉锚固加固后洞室的位移峰值和残余变形值均降低,处于爆点正下方的测点降低幅度范围约为20%~50%,洞室拱顶附近的加速度峰值降低幅度为20%左右,由此可见本文提出的外交叉锚固洞室的加固方法能够有效地提高洞室的抗爆性能。     

爆炸波作用下锚杆间距对围岩加固效果影响的模型试验研究

为比较锚杆间距对洞室围岩加固效果以及抗爆性能的影响程度大小,通过实验室地质力学模型试验,研究在集中装药爆炸应力波作用下,2种长度相同而间距不同的锚杆对洞室围岩的不同加固效果.比较和分析因锚杆间距不同所造成的洞室围岩中测点的应力、洞壁表面应变、洞室顶底板相对位移、顶底板及侧墙加速度和洞室围岩宏观破坏形态的差别.试验结果表明,与较大间距锚杆加固的洞室相比较,较小间距锚杆加固的洞室围岩中应力较大,洞壁表面应变、顶底板相对位移、顶底板加速度较小,加固区域内围岩无破坏裂纹,说明对洞室围岩的加固宜采用较小间距锚杆.将部分试验数据同相应的数值分析结果进行比较发现,两者的拱顶应力峰值和顶底板相对位移峰值较为一致,证明模型试验结果是可靠的,对防护工程设计及坑道围岩加固具有一定参考价值.     

爆炸荷载作用下平面钢框架变形形态研究

本文采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA研究单榀钢框架在爆炸荷载作用下的变形形态。分析中考虑了爆炸作用时间和荷载峰值对其变形形态的影响。结果表明:在爆炸荷载作用下,结构变形形态具有局部性和弱传递性,即爆炸区的梁柱首先产生大变形并伴随大量塑性应变,最后在横梁和立柱端部达到材料失效应变而断裂;结构的破坏发生在框架的梁柱节点部位,故协调框架梁柱节点的刚度可以延缓破坏的发生。在荷载峰值相同的情况下,受荷横梁跨中节点的变形对应作用时间2~10ms分别增大3~23倍;在作用时间相同的条件下,受荷横梁跨中节点的变形对应荷载峰值1200~4800kN/m分别增大3.27~6.93倍。     

黄土隧道锚杆受力与作用机制

 为探讨黄土隧道锚杆作用效果及机制,对陕西省吴堡-子洲高速公路上3座黄土隧道中的48根锚杆应力进行现场测试和统计分析,结果发现：黄土隧道在钢架支护条件下,拱部系统锚杆受压且应力值较小;拱脚处锁脚锚杆以受拉为主,锁脚锚杆应力普遍大于拱部锚杆应力。从土体的变形和锚杆与土体的锚固效果2方面分析黄土隧道拱部系统锚杆的力学状态,分析认为隧道开挖后,浅埋黄土隧道拱部发生整体沉降,锚杆并不存在锚固段;深埋黄土隧道开挖后土体产生较大塑性区,目前以“短而密”原则设计的系统锚杆也不存在锚固段;锚杆与土体采用水泥砂浆或药卷式锚固剂黏结效果差,因而黄土隧道锚杆锚固力不大;锚杆锚固于初期支护上,并伸入土体中,从内部约束土体变形,在初期支护施作后,相对于土体的后续变形,拱部系统锚杆受到土体向下的摩阻力,相当于桩承受负摩阻力,因而拱部系统锚杆受压。综合以上分析表明,在黄土隧道中,钢架支护条件下的系统锚杆支护效果不明显,可以取消。工程实践证明,钢架支护条件下黄土隧道取消系统锚杆,可减少施工环节,更有利于隧道施工安全和结构稳定,可缩短工期和降低工程造价,有着特别显著的社会经济效益。     

盾构隧道60°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的物理模型试验。管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明,盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的变形破坏模式以剪切变形为主,局部有扭转和弯曲变形;结构破坏范围为上盘0.75D(D为管片环外径1.20 m),下盘0.50D;管片混凝土破坏主要发生在螺栓孔附近,地裂缝处纵向螺栓发生较强的剪切、扭转和拉伸变形破坏;管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱顶错位量大于拱底和拱腰,拱顶最大错位量达30 mm(0.025D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.166 7D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境。     

动载作用下圆形巷道锚杆支护结构破坏机理研究

将冲击应力波进行合理简化,建立平面P波与圆形锚固巷道相互作用简化模型。结合算例,通过分析深部围岩径向应力、巷道表面切向应力、巷道表面径向位移以及深部围岩与巷道表面径向位移差等代表性指标,确定了重点支护位置,推导了重点支护位置的锚杆受力机制并提出了相应破坏类型及判据。结果表明:迎波侧与侧向位置是重点支护位置。迎波侧锚杆总应力是静载轴应力、锚杆振动的动应力和动载下围岩变形引起的附加应力的叠加,强冲击下迎波侧支护结构的破坏类型为单次瞬间摧垮破坏,围岩受压破裂,锚杆松动失去加固作用;循环弱冲击下的破坏类型为循环累积损伤破坏,受压围岩逐渐损伤致裂,锚杆反复受压、受拉直至松动,这进一步加剧围岩的损伤破裂,当承载拱强度降低到一定值后,一次小冲击就能诱发巷道冲击破坏。侧向位置锚杆总应力是静载轴应力、动载下围岩变形引起的附加应力的叠加,锚杆始终受拉,在强冲击下可能发生拉断破坏。通过相似模拟试验,较好地验证了理论分析结果,表明理论分析结果对工程实践具有一定的指导意义。     

拉压耦合大变形锚杆作用机理及其试验研究

在高应力作用下,围岩发生大变形破坏的现象非常普遍,硬岩常常产生严重的岩爆灾害,软岩则会表现出挤压大变形问题,严重影响深部工程安全。在这种条件下采用的支护体系不仅要具有较高的承载力,而且要能够适应较大的围岩变形而本身不发生破坏。提出了一种拉压耦合大变形锚杆,并详细介绍了它与围岩之间的相互作用机理。新型锚杆通过改善锚固结构,优化锚杆受力状态,提高了锚固结构的极限承载力,使锚杆杆体的变形性能得到充分的发挥,避免了传统锚杆因杆体不均匀变形导致的破坏问题。因而,高应力大变形条件下新型锚杆的锚固性能更优,更有利于保持围岩稳定。室内实验研究证实,在同等条件下拉压耦合锚杆的极限承载力明显大于传统锚杆,并且具有良好的大变形特性。针对矿山深部开采中遇到的软岩大变形和硬岩岩爆等灾害,新型锚杆将实现更优的加固效应。     

不同方向爆炸荷载作用下地下洞室抗爆效果研究

基于抗爆模型试验结果,利用数值分析方法,研究不同方向爆炸荷载作用下地下洞室的抗爆效果。通过对比分析地下洞室爆炸压应力时程曲线和动态裂纹分布形态,发现数值分析和试验的应力波曲线和锚固洞室围岩动态裂纹分布比较相似,这说明数值分析的结果比较合理。锚固洞室在相同当量爆炸荷载作用下,顶爆产生的位移最小,其次拱部侧爆,最大是直墙侧爆,并且直墙侧爆产生最大位移的位置是侧墙墙底,而不是离爆源最近的洞壁位置。在爆炸荷载作用,由于锚杆加固作用,在锚杆间发生受拉"劈裂",同时还在锚固区内以及锚固区末端发生"层裂"现象。在相同当量顶爆、拱部侧爆和直墙侧爆作用下,毛洞和锚固洞室的位移和动态裂纹分布形态相似,经过锚杆加固的洞室抗爆能力都得到提高。     

高应力地下洞室顶拱深部变形及受力特性研究

为探讨高应力条件下顶拱深部围岩出现的收缩受力特征,采用位移分析法讨论上游侧顶拱在开挖过程中产生的收缩变形,根据弹塑性理论定性分析顶拱深部收缩变形产生机制;采用回归分析讨论了收缩变形区无黏结锚索预应力特征及其与围岩变形的关系.研究表明,围岩变形在顶拱呈显著空间分异特征,收缩应变出现在上游侧,沿厂房轴线的分布范围与钻孔深度...     

侧爆作用下硐室锚杆受力动态响应数值分析

利用数值分析软件LS-DYNA3D, 研究了在侧爆应力波的作用下硐室锚杆支护受力动态响应。数值分析结果表明:通过对比相同比例距离的试验和数值模拟压应力时程曲线,说明数值模拟结果可信;基于不同位置锚杆中间单元轴向应力时程曲线分析,发现迎爆侧受到应力波的作用明显大于背爆侧;迎爆侧侧墙锚杆既受压又受拉,并且锚杆8受压最大;受拉较强部位主要集中在迎爆侧,锚杆7拉应力峰值最大;从锚头到锚端锚杆拉应力峰值和压应力峰值都是先增加再减小,最大压应力峰值偏向锚端,而最大受拉位置与应力波的幅值和波长有关。     

西安丝路国际会议中心大跨度刚性悬挂幕墙结构设计及关键技术研究

西安丝路国际会议中心悬挂幕墙吊柱最长45 m,吊挂幕墙面积26 000 m2,吊挂质量达12 100 t。悬挂幕墙上部吊挂在桁架端部（桁架最大悬挑35.6 m）,下部支撑在通过圆管形月牙吊柱吊挂的下月牙桁架上,悬挂幕墙边界较为复杂,因此需对幕墙结构的吊柱和下月牙桁架支撑设计及关键技术进行研究。结合建筑设计中对幕墙吊柱的要求,对幕墙组合吊柱稳定性进行研究;对幕墙结构变形进行分析,确保变形满足幕墙围护系统设计需求;对幕墙结构和主体结构进行整体协同分析,考虑主体结构刚度对悬挂幕墙结构的影响,并针对如何保证吊柱始终受拉、卸载后幕墙变形与设计状态一致等问题,从设计和施工层面提出对应的解决办法和有效控制措施。结果表明,梯子形组合吊柱方案具有较好的侧向稳定性,适用于大跨度的悬挂式幕墙体系;增加横向构件、提高角部构件抗扭刚度能有效控制幕墙结构不均匀变形;结构预反拱、初张拉等施工措施,可以保证吊挂幕墙结构达到设计受力和成形状态。     

大断面深埋黄土隧道锚杆作用效果的试验研究

 黄土隧道系统锚杆的作用效果问题一直是争论的焦点,依托正在修建的郑州—西安铁路客运专线大断面黄土隧道工程,采用现场对比试验方法对深埋黄土隧道系统锚杆的作用效果问题进行研究。为了使试验结果有可比性,选取试验条件基本相同的函谷关隧道洞身段作为试验段,分别设置有系统锚杆段45 m和无系统锚杆段45 m进行对比试验。对比试验的测试项目有：拱顶沉降、拱脚沉降、水平收敛、围岩压力、初支钢架应力及锚杆轴力等。试验结果表明：有系统锚杆段与无系统锚杆段的拱顶沉降和水平收敛基本相等;两者的土压力和钢架应力相差不大;锚杆轴力较小,且拱部锚杆受压,边墙锚杆受拉。综合分析后认为,拱部系统锚杆作用效果不明显,取消拱部系统锚杆可减少施工工序,加快开挖面的封闭和全断面初期支护的及早闭合,从而能更好地控制支护结构变形,并节约工程投资。     

早强锚杆在高地应力层状软岩隧道中的应用研究

以在建的成都-兰州铁路杨家坪隧道为工程依托,选取条件基本相同的30m典型围岩区段为试验段,对普通锚杆、早强锚杆支护时的洞周位移、围岩与初支接触压力、型钢拱架应力及其锚杆轴力进行实测对比分析,探讨了早强锚杆在高地应力陡倾层状软岩隧道中的作用机制。结果表明：高应力软岩隧道中锚杆轴力为拉力,早强锚杆比普通锚杆轴力更大,可以使隧道洞周位移减小40%|早强锚杆使隧道边墙围岩压力和钢架拱顶应力减小,围岩压力分布和钢架受力趋于均匀|早强锚杆通过注浆材料深入围岩,可以提高围岩层面强度|及时发挥锚固作用,抑制了围岩渐进破坏过程,从而减小围岩塑性区|加长了锚杆的拉拔长度,减小围岩与初支接触压力,改善隧道支护的受力状况,有效地控制隧道变形。