在爆炸荷载条件下锚固洞室破坏形态 对比试验研究

通过物理模型试验,研究洞室在平面装药和集中装药爆炸荷载作用下不同加固方案的对比抗爆效果.简要介绍新研制的岩土工程抗爆结构模型试验装置、模型试验相似条件、平面装药和集中装药爆炸模拟方法,着重给出在爆炸荷载条件下几类锚固洞室模型的破坏形态试验结果.模型试验结果表明,对相同试验条件下的洞室,在平面装药爆炸试验中洞室拱部材料均发生脱落,在集中装药爆炸试验中洞室拱脚均产生剪切错动裂缝;全长黏结式锚索加固的洞室比自由式锚索加固的洞室抗爆效果好;只增加锚杆长度对阻止围岩裂缝的发展不起控制作用,必须在锚杆间距达到一定密度时才可以阻止围岩裂缝进入锚固区;在拱脚局部加长的密锚杆支护可以有效地阻止或者阻断围岩裂缝的发展,或者迫使裂缝绕过锚固区,从而提高锚固洞室的抗爆能力.研究结果对改进地下抗爆结构加固措施,提高其抗爆能力具有重要参考价值.     

端部消波和加密锚杆支护洞室抗爆能力模型试验研究

 利用抗爆模型试验装置,研究在集中装药爆炸应力波的作用下,端部消波和加密锚杆支护洞室的抗爆能力;分析和比较3个洞室的拱顶垂直压应力、顶底板相对位移、洞壁应变、顶底板加速度及洞室围岩宏观破坏分布形态的差别。试验结果表明：在爆炸应力波的作用下,当洞室没有发生严重破坏时,端部消波和加密锚杆支护洞室顶底板相对位移和拱脚处最大应变都有减小;拱顶加速度整体上都有不同程度的降低;3个洞室都在拱脚处两侧产生断裂缝,但端部消波和加密锚杆支护洞室在拱顶方向断裂缝明显减少,其拱顶破坏程度得到减轻。说明端部消波和加密锚杆支护洞室能够提高锚固洞室抗爆能力。     

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。     

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.     

外交叉锚固洞室抗爆性能数值模拟

目前,国内外针对洞室锚固结构抗爆性能的研究主要集中于爆炸波在岩土介质中的传播特性、对围岩的破坏作用、锚喷支护内加固效果分析等方面,很少涉及对外加固效果的研究。笔者为研究薄被覆层条件下外锚固结构对地下洞室抗爆性能的效果,在模型试验的基础上,利用FLAC3D建立无锚固和外交叉锚固两种三维整体式有限元模型,模拟洞室在爆炸荷载作用下的响应。结果表明:洞室加固前后侧墙破坏区域基本相同,但加固后其拱顶的位移、破坏长度和破坏面积明显减小;加固后洞室周围应力集中区域缩小,主应力明显降低,各部分动应变趋向均匀;加固后洞室压应力与反射拉应力出现的时刻延后,应力波传播速度减缓。研究结果和该有限元预测方法可为地下洞室抗爆设计提供参考。     

喷锚支护洞室抗爆现场试验洞顶位移研究

地下工程设施的稳定性是岩土工程重要研究内容,如何提高爆炸荷载下洞室的抗爆能力对国防和民用工程都有重要的意义。因此,开展现场洞室抗爆实验研究有着重要的战略意义。从喷锚支护洞室抗爆现场试验角度,介绍不同的支护条件即长密锚杆 、 短密锚杆、常规锚杆三种不同条件下洞顶部位在上部爆炸条件下洞顶位移的特征。另外,对使用两种不同垫板的锚杆支护下洞顶位移做了对比,分析得到碗形垫板支护效果好于板形垫板支护效果的结论。文中还分析了洞顶与洞室跨度相对位移与爆炸比例距离的关系。通过本次试验以寻找最好的锚固效果,为实际工程提供借鉴。     

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。     

锚固洞室在顶爆作用下破坏形式及破坏过程研究

利用抗爆模型试验和数值分析方法,研究锚固洞室在顶爆作用下的破坏形式及破坏过程。根据锚固洞室破坏模型试验,发现锚固洞室主要有:受拉破坏、剪切破坏、受压破坏和压剪破坏4种破坏形态。通过分析试验解剖图和应力波传播规律发现:爆炸应力波作用下,锚固洞室首先在拱顶锚固区发生"层裂"现象,在自由面附近有类似半椭圆拱岩石介质脱落;同时两侧容易形成"八"字型剪切裂纹,随着爆炸荷载强度增加,如果锚杆加固较弱会在洞顶产生局部坍塌,一旦锚杆加固较强就会发生从爆心至洞室整体坍塌。最后利用数值分析方法分析了洞室受力情况和塑性区发展过程,进一步探讨了锚固洞室在顶爆作用下破坏形式和破坏过程。     

一种新型复合锚固结构抗爆性能的试验研究

对一种新型复合锚固结构的抗爆性能进行了试验研究。这种新型复合锚固结构是“注浆锚杆-构造措施”型,用于地下空间的加固支护。“构造措施”是指在锚杆里端规律设置一段表面经过处理的空孔。试验研究表明:①复合锚固结构洞室的临界破坏荷载显著高于单一锚固结构洞室,其安全性和稳定性更高,其构造措施段具有一定的抗爆吸能作用;②复合锚固结构用于岩石洞室的抗爆加固是完全可行的;③就本次试验条件而言,在累次爆炸加载作用下,单一锚固结构洞室的破坏程度是复合锚固结构洞室的2.5倍;④加固区具有足够的深度、强度、刚度和稳定性是复合锚固结构优化设计实现的前提。     

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。     

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。     

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。     

围岩外加固抗爆炸成坑试验研究

为进一步提升洞库围岩的抗爆炸性能,采用相似模型试验方法对采用交叉锚索进行加固的均质、层状和块状围岩进行2组爆炸成坑试验,并对比分析加固前后围岩模型的宏观破坏形态、隆起形态、裂缝形态及爆坑尺寸。研究结果表明:(1)交叉锚索对岩体提供了较大的抗拉、抗剪能力,从而对岩体抗爆炸成坑具有较强的加固作用;(2)岩体特征对成坑试件破坏程度有较大影响;(3)从有加固的试件表面隆起高度上看,均质和层状岩体试件的都较小,块状岩体试件的较大;(4)岩体特征不同,试件表面的裂缝形态不同;(5)有加固试件的爆坑平面尺寸均质岩体试件的最小,块状的较大,层状的最大。研究结果可为地下防护工程设计和坑道围岩加固提供参考。     

黄土地区浅埋暗挖地铁隧道衬砌受力分析

为了解黄土地区浅埋暗挖地铁隧道衬砌结构的受力特征,得出荷载在衬砌结构各部分中的分担比例,以西安地铁 2 号线实体工程为依托,开展了较大规模的现场测试工作,对围岩与初期支护接触压力、初期支护与二次衬砌接触压力及二次衬砌结构应力进行了研究。结果表明：在三连拱大断面地铁隧道中先开挖洞室初期支护各部位所受的围岩压力均大于后开挖洞室初期支护所承受的压力;左、右线中墙顶、底部初期支护承受的压力较大,表明隧道中隔墙承担了较大的上部土体荷载;初期支护与二次衬砌承受的荷载比例为 52.81% 和 47.19% ;二次衬砌混凝土基本受压,左、右中隔墙二次衬砌混凝土受压最大。在标准断面地铁隧道中左、右线墙脚位置初期支护与围岩之间接触压力较大,表明这两位置承受了大部分垂直压力;初期支护与二次衬砌承受的荷载比例为 40% 和 60% ;二次衬砌混凝土基本受压,拱腰及以上位置应力较大,仰拱处应力较小。     

隧道穿越断层破碎带震害机理研究

首先对汶川“5.12”等各次大地震中跨越断层破碎带隧道震害进行了资料调研,然后通过振动台模型试验及数值计算对跨断层破碎带隧道的动力响应进行了研究,研究内容主要包括围岩与隧道结构的加速度响应特性、地层变形及衬砌结构内力分布规律等。分析结果表明：震害调研结果、振动台模型试验和数值模拟结果有较好的吻合性,穿越断层破碎带隧道在地震中易于产生破坏;隧道断层带段围岩有较大的加速度响应特性,加速度响应在断层接触段不连续;地震过程中断层带段隧道结构对地层具有明显的追随性和依赖性;断层带隧道错动破坏主要由断层带隧道围岩与较好段围岩位移不同步性而造成的位移差值引起,且位移差值与断层带和隧道较好围岩类型有关;隧道断层破碎带段与较好围岩段衬砌结构横断面具有基本相同的内力分布规律,衬砌内力在共轭45°方向最大,但断层破碎带段衬砌具有最大的内力峰值,更易于在地震过程中产生破坏等。以上成果对于合理认识跨越断层破碎带隧道的地震响应特征具有重要意义,可为隧道实际工程设计和施工的抗震设防提供宝贵的基础资料。     

基于三维离散–连续耦合方法的跨活动断裂隧洞错断破坏机制研究

在中国西部强震区兴建的大型水利工程中,输水隧洞常不可避免地横跨多条区域性活动断裂,受活断裂错断运动影响,这些输水隧洞面临着严重的错断威胁。传统隧洞抗错断数值模拟方法多将围岩简单考虑为等效连续体,不能从细观尺度模拟断裂错动时围岩的破裂过程和大变形现象。将三维离散–连续耦合方法引入跨活动断裂隧洞抗错断问题的研究上,研究在断裂错动作用下衬砌的内力响应,及围岩破裂的细观特征。在该分析方法中,采用离散元球形颗粒表征围岩,同时将隧洞衬砌结构考虑为连续单元体。验证接触边界上耦合力的相容性与连续性的同时,通过参数标定使离散区域与连续区域的宏观属性一致,在此基础上建立穿越活动断裂隧洞的三维离散–连续耦合数值模型。利用这一方法,讨论了不同断裂错距影响下隧洞因断裂错动而产生的位移变化与力学响应,并从细观角度对围岩破坏特征进行了探讨。获得的结论可以为穿越活断裂隧洞的抗错断设计提供一定参考。     

大断面黄土隧道围岩弹性抗力系数、变形模量与压缩模量试验研究

 对于高速铁路大断面黄土隧道严格的设计计算而言,黄土隧道围岩的弹性抗力系数、变形模量和压缩模量十分重要。以郑西客运专线大断面黄土隧道工程为依托,利用现场平板载荷试验研究大断面黄土隧道围岩水平方向和拱底竖直方向的弹性抗力系数、变形和压缩模量,并提出与隧道埋深有关的弹性抗力系数、变形和压缩模量的参考计算公式。     

巷道/隧道围岩非线性流变数学力学模型及其初步应用

研制了三轴巷道／隧道围岩流变试验台，并进行了多年的试验观测。从岩石长期强度的衰减特征和岩石的应变能守恒原则出发，建立了非弹塑粘性元件组合模型的岩石非线性流变数学力学模型，在此基础上建立了巷道／隧道围岩非线性流变数学力学模型。应用线性莫尔强度理论将单轴应力极限转换为三轴应力极限，从而由所测的单轴全应力一应变曲线参数来求围岩三轴应变。依据该模型计算的巷道围岩流变值与试验值拟合较好，该模型在预测巷道破坏圈方面得到初步的成功应用。