石灰岩中爆炸成坑和地冲击传播规律的试验研究

简介了本课题研究的国内外现状，介绍了试验背景和试验方案，给出了石灰岩中爆炸成坑结果以及应力和加速度的实测波形，并对测试结果进行了分析，得到了石灰岩中爆炸成坑经验公式以及地冲击传播规律，结果给出现场石灰岩中应力波的传播速度大约为3500m/s。     

黏性土爆炸成坑和地冲击传播的离心模型试验研究

 以往研究结果表明化爆是一种体积效应引起的热力学现象,根据这一现象可以确定爆炸离心模型试验的能量比尺为1/N3(N为离心机加速度)。采用清华大学50 g•t土工离心机进行黏性土爆炸成坑和地冲击传播规律的离心模型试验,给出试验过程中实测加速度波形,对测试结果进行分析,得出黏性土中爆炸成坑和地冲击传播的一些认识：弹坑形成过程基本不受科氏加速度影响,但弹坑抛出物以及分布形态受科氏加速度影响;弹坑体积大小明显与重力加速度有关,小比尺模拟必须增加重力加速度来模拟。结果证明对于研究爆炸相关问题,土工离心机是一个非常有效的试验工具。     

爆炸地冲击临界深度研究

地冲击是钻地武器毁伤地下目标的主要因素;随着钻地深度的增加,爆炸时耦合到岩土介质中产生地冲击的能量份额逐渐增加,在达到某个深度后趋向一个固定值,该深度称之为临界深度,但具体数值国内外差异极大,造成了地冲击效应计算结果的极大混乱。在详细分析已有数据的基础上,明确将临界深度细分为2个不同的物理量,即'地冲击临界深度'和'宏观破坏临界深度',前者主要由爆炸瞬时压缩周围介质形成向外传播的应力波决定,后者由爆炸应力波传播和爆轰气体准静态高压膨胀做功综合决定,前者数值要远小于后者。'地冲击临界深度'概念的明确提出,很好地解决了当前钻地爆炸中地冲击效应计算结果差异显著的难题,指出将2种临界深度混同、物理概念不清是造成差异的根本原因。进而以地冲击应力波试验参数、地表粒子运动速度以及数值仿真结果为基础,分析获得了土中爆炸地冲击临界深度具体数值。统一以地冲击临界深度为基准,对已有数据进行重新整理发现国内外的耦合因子是基本一致的,揭示了地冲击临界深度是确实存在的,概念是准确合理的。     

大当量爆炸地冲击毁伤效应的理论与试验研究Ⅱ：深埋洞室地冲击效应模拟试验系统研制

相似模拟试验是解决大当量爆炸下深埋洞室工程安全问题的重要研究手段,但长期以来受相关技术手段、设备限制,相关研究一直难以有效开展。本文采用自主研制与必要借鉴相结合的研发方式,解决了高地应力柔性均布长时加载、地冲击波形精细调控以及高地应力叠加地冲击静动组合加载等关键技术问题,研制了深埋洞室地冲击效应真三维模拟试验系统。在1∶50～1∶100几何及相应物理相似下,装置可实现高地应力加载、开挖扰动过程和爆炸地冲击效应的模拟,解决了原型试验受限,模拟手段匮乏的技术难题。采用该试验系统,对深部巷道在动静载组合作用下的响应机制进行研究,结果显示按均质岩体极限应力设计的工程安全埋深边界外,地冲击扰动可激活深埋岩体中构造岩块运动,造成工程局部严重破坏。测试结果表明,该装置运行稳定可靠,可真实再现冲击扰动下深埋洞室的毁伤过程,为深埋洞室抗大当量武器打击的安全防护研究提供了可靠的基础平台。     

大当量爆炸地冲击毁伤效应的理论与试验研究Ⅲ：深埋洞室地冲击效应模拟试验研究

为厘清开挖扰动和大当量爆炸地冲击扰动对深埋洞室破坏的影响机制,采用自主研制的深埋洞室地冲击效应模拟试验系统,开展从地应力加载、洞室开挖到地冲击扰动加载全过程的相似模型试验。试验模拟了600 m埋深洞室开挖过程,以及封闭爆炸当量90 kt、比例爆距为133 m/kt^1/3时的地冲击扰动诱发工程破坏现象。试验成功模拟了颗粒弹射、板裂和块体激活等现象。得到冲击扰动作用下洞周应力、应变和位移的变化规律以及深部洞室的破坏机制。证实了比例爆距为133 m/kt^1/3时,洞室处于轻微破坏区。此外,通过开展重复地冲击扰动下的洞室稳定性研究,成功模拟岩爆、板裂、掌子面坍塌等工程灾害,得到重复地冲击扰动下洞室的破坏机制。试验的成功开展,为大当量地下爆炸作用下深埋洞室防护和安全范围确定奠定了重要的基础。     

大当量爆炸地冲击毁伤效应的理论与试验研究Ⅰ：深埋洞室地冲击破坏的现场实测分析

为厘清地冲击扰动作用下的深埋洞室破坏机制,建立地冲击毁伤的判别准则,系统总结、分析国内外大当量地下爆炸试验及爆破中的深埋洞室破坏现象及规律。按照距爆心的距离,将爆炸破坏分为地冲击破坏和诱发工程性地震破坏2种。采用经验估计和应力判别2种方法,计算并对比地冲击破坏各分区的边界范围和破坏特征。通过系统总结、分析现有研究,提出岩体的含能特征和构造特征是诱发工程性地震破坏产生的原因。进而从块系介质变形的本质入手,梳理爆炸条件下块系介质变形的基本概念和力学模型,分析比例爆距和激活块体尺度的关系。而后综合现有研究,提出以能量因子为参量的破坏效应分析方法,得到不同爆炸当量下位移的边界范围,并以能量因子为指标参数,实现了从近区到远区、从封闭爆炸到触地爆炸的各破坏区变形的统一表征,为大当量地下爆炸条件下安全范围确定及相关工程防护技术建立奠定了理论基础。     

尹中高速公路粉喷桩复合地基桩土应力比现场试验研究

结合甘肃尹中高速公路粉喷桩处理饱和黄土地基的实体工程,选择了2个典型断面,其中一个断面为悬浮式复合地基,另一个断面为支承式复合地基,实测了桩顶及桩间土的压力,计算出了相应的桩土应力比n及复合地基承载力发挥值。结果表明:(1)在相同荷载水平下,支承式复合地基中桩体与桩间土体所承受的压力均大于悬浮式复合地基中的相应值;(2)在加荷初期,n值增长较快,但随着桩土变形的协调,n值趋于稳定,且2个断面在路堤主要受荷范围内的n值大部分集中在3～8;(3)无论柔性基础下粉喷桩复合地基的形式如何,按土体先破坏计算的复合地基承载力发挥值更接近于工程的实际荷载水平;(4)柔性基础下复合地基的破坏模式应为桩间土体先破坏,继而引起整个复合地基的破坏。     

砂卵石地层土压力平衡盾构施工开挖面稳定及邻近建筑物影响模型试验研究

盾构技术在砂卵石地层中应用越来越多,砂卵石地层具有很强的不确定性特征,盾构施工的关键问题之一是保持开挖面稳定性及减小地面沉降。利用土压平衡盾构模型,研究北京砂卵石地层中不同埋深时邻近建筑物影响下的开挖面稳定性及地表沉降规律。试验中,分析柔性基础邻近建筑物及埋深对开挖面极限支护力和地表沉降的影响,揭示开挖面稳定性、土拱效应与极限支护力及地表沉降的关系。在邻近建筑物影响下,砂卵石地层中的支护压力呈非对称分布,且砂卵石地层中盾构推进引起的沉降值大于基于Peck公式的计算值,研究成果对砂卵石地层中盾构施工有重要的指导意义。     

软粘土地基中齿坎抗滑效应的研究

通过位于软弱地基中的无齿挡墙和齿坎式挡土结构物的现场抗滑试验，研究了齿坎对挡土结构物所起的抗滑作用，还用非线性有限元方法对现场试验成果进行分析，通过研究得出结论：尽管齿坎较短，但对挡土结构物的抗滑作用颇大，在试验齿长范围内，抗滑力与齿长成正比，当挡土结构物处于极限破坏状态时，齿前土压力达到‘被动’土压力值，而齿后主动土压力甚小，有限元分析与现场试验成果具有很好的一致性，最后用有限单元法研究了齿坎的临界长度。     

极细颗粒黏土渗流特性试验研究

 为深入研究极细颗粒黏土的渗流特性,采用可调节水头高度的常水头渗透试验装置,利用不同离子浓度的孔隙液和蒸馏水,分别对极细颗粒人工土和广州南沙天然软土进行渗透试验。试验结果显现土体渗流的2个重要的特性,一是随着孔隙液离子浓度的增大,试样的渗透系数随之增加;二是随着水力梯度的降低,对于不同离子浓度的孔隙液情况,试样的渗透系数出现增大或者减小的“异常”现象。试验结果和机制分析认为,土颗粒表面电荷的微电场作用和渗流孔隙的微尺度效应是影响极细颗粒黏土的渗流特性的重要原因,而颗粒比表面积、表面电位、孔隙液离子浓度和孔隙尺度则是改变渗流特性的重要影响参数。对上述2个渗流特性分别采用“微电场效应”和“微尺度效应”作出解释,其中对软土渗流“异常”现象的真实原因仍需要更多的试验和进一步的研究探讨。     

基于SEM和MIP试验结构性黏土压缩过程中微观孔隙的变化规律

 为探求土体在变形过程中微结构形态的演化规律,对湛江结构性黏土进行室内压缩试验,通过真空冷冻升华干燥法对天然土和压缩后土制样,进行扫描电子显微镜扫描试验和压汞试验,基于灰度计算土的三维孔隙率,分析压缩过程中微观孔隙的变化规律。结果表明,较二值化处理获得的二维孔隙率,三维孔隙率物理意义明确,求取方法简单,有较高准确性。湛江天然黏土孔径为1.0～0.1 μm的小孔隙组占优,其孔隙体积占总孔隙体积的73%。压缩过程中,P＞?k前,各孔径组分变化甚微。P＞?k后,随压力的增大,小孔隙含量表现为先增加后降低。各孔隙组对外力的敏感度与孔隙体积含量正相关。由于压汞过程存在“瓶颈”效应,其结果可能会夸大小孔隙的分布密度而低估大孔隙的分布密度。结构性黏土压缩过程中微观结构形态的演化可分为结构微调、结构破损、结构固化3个阶段。该研究有助于深入了解土的变形机制,为结构性土的工程设计提供科学的依据。