直墙拱顶地下结构在爆炸地震波作用下的动力响应

地下坑道在爆炸地震波的冲击作用下的动力响应是防护工程设计和评估的重要问题。本文对有弹性垫层的地下直墙拱顶结构在爆炸地震波作用下的动力响应进行了研究,采用共同变形理论和矩阵力法考虑衬砌与围岩的相互作用,建立了爆炸地震波作用下地下防护结构动力响应的快速计算方法。利用建立的计算方法分析了围岩等级、垫层参数和荷载作用形式等对典型直墙圆拱结构动力响应的影响,分析结果表明,围岩等级对结构的动力响应具有显著的影响,围岩质量越好,结构的位移和内力越小;垫层具有延迟响应和降低响应峰值的作用,荷载作用形式也具有一定的影响。     

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。     

硬岩地下洞室工程爆破振动与围岩损伤范围相关性研究

为了简便而准确地获取爆破荷载下硬岩地下洞室围岩损伤范围,以某待建重要地下洞室工程为研究背景,采用理论分析和数值模拟的方法,根据爆破设计方案,建立不同药量条件下多段延时爆破累积损伤计算模型,利用等效爆破荷载的方法和LS-DYNA完全重启动技术,得到多段延时爆破荷载作用下的爆破振动数据和围岩累积损伤范围。分析地下洞室围岩累积损伤效应,研究爆破振动与围岩累积损伤范围之间的相关性。研究结果表明：诱导地下洞室周边围岩损伤的荷载主要来自于二圈孔和周边孔爆破,其中洞室拱顶围岩损伤范围(2.21 m)明显大于拱腰围岩损伤范围(2.05 m);爆破全时程振动曲线的峰值处于掏槽孔延期时间范围内,与造成洞室周边围岩损伤的爆破段位不一致,应以对围岩损伤影响较大爆破段位的质点峰值振动速度研究与围岩损伤范围的相关性;建立了围岩累积损伤范围与爆破药量、爆心距和质点峰值振动速度之间的量化关系,得到了可通过任意爆心距处质点峰值振动速度推断围岩累积损伤范围的函数关系式,为控制围岩爆破损伤提供依据。     

爆破震动作用下地下洞室支护结构的动态响应分析

大跨度地下洞室顶拱锚喷支护结构在爆破震动作用下的稳定问题是决定地下厂房安全施工与运行的关键因素,运用动力有限元数值模拟,研究了该类型支护结构在爆破震动作用下的动态响应特点,得出了结构中峰值振速和峰值应力的分布规律.     

地下工程喷射混凝土爆破振动安全标准研究

根据一维波动理论,通过分析应力波在不同介质中反射和透射的过程,研究了爆破振动应力波对巷道围岩和喷射混凝土的破坏作用。结果表明,在爆破振动应力波的作用下,对于坚硬岩体,支护结构的破坏主要由喷射混凝土的抗拉强度所决定;而对于软岩体,支护结构的破坏则主要由喷射混凝土与围岩的交界面的抗拉强度所决定。同时,通过研究爆破振动在围岩中的传播规律,得到了掘进爆破工程中喷射混凝土支护的安全距离,为地下掘进爆破工程施工以及喷射混凝土初期支护的设计提供了一定参考。     

地下工程喷射混凝土爆破振动安全标准研究

根据一维波动理论,通过分析应力波在不同介质中反射和透射的过程,研究了爆破振动应力波对巷道围岩和喷射混凝土的破坏作用.结果表明,在爆破振动应力波的作用下,对于坚硬岩体,支护结构的破坏主要由喷射混凝土的抗拉强度所决定;而对于软岩体,支护结构的破坏则主要由喷射混凝土与围岩的交界面的抗拉强度所决定.同时,通过研究爆破振动在围岩中的传播规律,得到了掘进爆破工程中喷射混凝土支护的安全距离,为地下掘进爆破工程施工以及喷射混凝土初期支护的设计提供了一定参考.     

后张无粘结预应力平板—柱结构合理计算模式和方法的研究

本文通过对板－柱结构工作原理的分析和对其对竖向荷载下计算模式的回顾，利用工程力学理论，建立了后张预应力平板－柱结构的水平荷载下的合理计算模式和方法，克服了目前等代框架法中的水平荷载下内力计算与位移计算不协调的缺点，并使这种结构的竖向荷载下与水平荷载下的计算得到统一，为合理地进行结构设计了提供依据。     

隧道初期支护结构受力特性及适用性研究

复合衬砌是目前隧道支护结构的基本形式,即由初期支护与模筑混凝土二次衬砌结构复合而成。按照新奥法原理进行设计和施工时,在围岩稳定性较差的条件下,初期支护通常采用由喷射混凝土与型钢钢架或格栅钢架及锚杆组成的组合结构,但在采用型钢钢架还是格栅钢架支护问题上一直存在不同的观点,其争论的焦点是对其支护结构性能及其适应性的认识,核心则是“支护-围岩”作用体系中支护结构的作用及其演化过程特点,而在不同围岩及工程尺度条件下其作用效果也有所不同。为此,该文首先通过型钢钢架和格栅钢架的室内性能试验,对两种支护结构的受力特性、破坏过程及演化特征、极限承载力及变形量等进行了系统的研究;然后通过有限元组合结构进一步分析了型钢钢架和格栅钢架的受力特性、极限承载力和变形特性;最后结合京沪高铁金牛山隧道现场试验,取得了两种支护类型下围岩荷载释放规律和压力分布特点,并分别给出了型钢钢架与格栅钢架的特点和最佳适用条件。该成果对于澄清支护作用机制以及隧道初期支护设计和施工具有重要的理论价值和指导作用。     

掘进爆破振动作用下支护结构的安全距离

掘进爆破地震波对巷道围岩及支护结构的作用是地下工程和结构抗震的重要研究内容。根据爆破地震波位移势函数的特点,采用分离变量的方法,求解得到轴坐标系下围岩质点运动方程,给出了围岩中振速随轴向距离、径向距离和时间的变化规律。研究结果表明:爆破地震波所导致的围岩质点振动速度衰减极快,且与距离的1/2,3/2次方成反比;振动速度在轴向距离上的衰减比较剧烈,支护结构在距迎头工作面较短范围易受爆破振动影响。按照围岩与支护结构爆破振动安全振速,确定了不同爆破方式的爆破振动的安全距离,为巷道爆破方案与空顶距离的选择提供了理论依据。     

邻桩爆破引发井巷支护结构破坏的分析及防范措施

在分析邻桩爆破时岩柱、支护结构破坏类型的基础上 ,根据应力波叠加和入射空穴而散射的动应力集中原理 ,建立了圆形井巷周边切向动应力集中的力学模型。利用该模型和波函数解法 ,计算了井巷相邻侧爆破引起的周边最大应力 ,推荐了能保持岩柱稳定、围岩—支护结构抗塌、抗裂的邻桩间距。在施工中 ,根据不同桩径、围岩性质 ,采取不耦合装药、调整单响药量和岩柱宽度等措施 ,确保了工程质量和安全。     

岩体中空腔对爆炸振动的解耦效应

为分析岩体中空腔对爆炸振动的解耦效应,采用数值模拟方法,分析炸药耦合程度和岩体等级对岩体中空腔内爆炸振速解耦的影响规律。结果表明:岩体中振速随炸药耦合程度的降低而减小。数值模拟得到:I级岩体中空腔比例半径为1.0 m/kg^1/3时,岩体中各测点峰值振速与填实爆炸峰值振速之比的平均值为0.112;I级到IV级岩体对应的爆炸振速衰减指数逐渐增大,代表振速衰减变快;坚硬完整的岩体对爆炸振速的解耦效果较好,I级到IV级岩体对应的解耦系数中的指数分别为0.259、0.258、0.246、0.219。可为城市地下空间内偶然性爆炸效应分析和城市地下工程结构的隔振设计提供参考。     

非均布荷载作用下震后地下拱结构抗动载能力评估

为评估非均布荷载作用下震后地下防护结构的抗动载能力,针对震前震后三种结构型式,给出了动荷载动力系数的确定方法,推导出了非均布荷载作用下地下拱形结构的弯矩和拱脚推力的计算公式。针对工程实例,计算了不同损伤型式的拱结构承受非均布动载时的结构内力,从而给出了非均布荷载作用下震后结构的抗动载能力评估方法。研究表明:抗弯设计条件下震后拱结构抗非均布动载能力将降低约13%,而在抗剪设计条件下由于裂缝的穿透震后拱结构抗非均布动载能力将降低50%以上。     

爆破移除钢筋混凝土框架柱倒塌性能试验研究

为研究钢筋混凝土空间框架结构的抗倒塌性能,采用爆破方式对一4层2跨2开间的RC框架结构短边中柱和角柱进行了快速移除倒塌试验,通过试验获取了爆破移除框架柱作用过程、结构的动力响应、柱的失效时间和空间空腹梁对荷载分布的影响等数据。试验结果表明:试验框架在快速移除边中柱与角柱后,柱头位移较小,结构没有发生倒塌,处于弹性变形范围。爆炸引起RC框架柱的失效时间约100 ms,结构变形晚于爆炸应力波40 ms左右。在爆破过程中,柱内纵向钢筋在应力波和爆轰气体压力共同作用下向外严重鼓曲变形,对上部结构产生较大的拉伸作用,加大了结构倒塌风险。横向或纵向的空间空腹梁作用是结构在柱失效后的荷载重分布的主要受力机理。     

地下工程围岩压力计算的反算法

本文通过有限元与优化理论的结合,提出了一种新的简单的地下工程围岩压力计算的反算法。它以实测位移(或应力)为理论根据,利用优化方法将计算应力(或位移)向实测应力(或位移)逼近,从而反推算出作用在巷道支护上的围岩压力分布。应用了SAP5分析程序和Hooke—jeeves优化方法,对计算地下工程围岩压力分布进行了新的探讨,它将在地下工程设计及地压研究等方面起着重要的参考作用。     

钻孔爆破中环向裂纹形成机理的研究

通过拉普拉斯变换和Stehfest数值反演方法 ,得到了内爆炸荷载作用下柱形空腔周围弹性岩体介质中的动应力场。研究了爆炸载荷动态卸载对介质中应力分布的影响 ,发现爆炸荷载卸载过程中柱形空腔周围径向应力会由压转拉 ,该径向拉应力导致了钻孔爆破中环向裂纹的形成。此外 ,利用动态卸载效应理论对爆破工程实践中观察到的一些现象作了合理的解释     

钻孔爆破中环向裂纹形成机理的研究

通过拉普拉斯变换和Stehfest数值反演方法 ,得到了内爆炸荷载作用下柱形空腔周围弹性岩体介质中的动应力场。研究了爆炸载荷动态卸载对介质中应力分布的影响 ,发现爆炸荷载卸载过程中柱形空腔周围径向应力会由压转拉 ,该径向拉应力导致了钻孔爆破中环向裂纹的形成。此外 ,利用动态卸载效应理论对爆破工程实践中观察到的一些现象作了合理的解释     

Elasto-plastic analysis of a circular opening considering material dilatancy and elasto-plastic coupling effects

The deformation and fracture of a surrounding rock mass are important bases of underground engineering stability evaluation and bolting design. In this paper, an improved elastic-perfectly plastic-brittle model is employed to analyze the mechanical property weakening behavior of surrounding rock, including the elastic zone, plastic zone, and fracture zone. Examining a circular opening under hydrostatic pressure, material dilatancy, and elasto-plastic coupling were considered for an analytical study of stress and displacement of the surrounding rock. The influences of the supporting force, dilatancy, and elasto-plastic coupling were analyzed for a deep coal mine tunnel. It is shown that the supporting force cannot significantly change the state of the stress distribution, but it has an outstanding influence on the displacement of the surrounding rock. Dilatancy and elasto-plastic coupling can both cause a rapid increase of fractured zone deformation of the surrounding rock. Additionally, the majority of deformation within the surrounding rock was derived from expansion-related deformation of the fractured zone in a residual-strength state.     

考虑动力相互作用的地下平面钢框架地震反应分析

建立了一种考虑结构与围岩动力相互作用的地下离壁式框架结构地震反应有限元分析模型,该方法采 用杆系模型模拟框架构件,围岩采用平面应变单元,在人工边界截取问题上采用了多次透射公式。在此基础上,对某拟 建大型地下多跨多层钢结构建筑的地震反应进行了分析,结果表明离壁式建筑设置水平支撑对改善结构构件的内力特 征具有明显的作用。     

预留土对非饱和基坑支护结构的影响

基于《建筑基坑支护技术规程》的相关规定和非饱和土强度理论,建立了考虑预留土的嵌固和水平支撑双重作用和非饱和特性时支护结构嵌固深度、位移和内力的计算方法。研究表明,预留土的作用可以概括为两个方面:① 虽然能提供的水平抗力不是很大,但由于其合力力臂较大,因此对支护结构有明显的嵌固作用,从而可以缩短支护结构的嵌固深度;② 能在支护结构上部形成弹性支承,从而减小支护结构的水平位移和内力。算例分析表明,采用预留土并降水的施工方法能大幅度缩小支护结构的嵌固深度、位移和内力。因此,在条件适当的条件下,用基坑内侧预留土并降水的施工方法不仅可以省去水平支撑、降低支护结构嵌固深度,同时还可以节约投资和缩短工期,具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。