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。     

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。     

大跨度地下洞库爆炸荷载下破坏形态试验研究

为分析不同药量的钻地武器爆炸对大跨度地下洞库产生的破坏效应,采用模型试验的方法对大跨度地下洞库的抗爆性能进行了分析研究,获得了不同爆炸荷载作用下洞库周边及衬砌的压力、加速度和位移的分布规律,并对比分析了围岩及洞室的整体破坏情况。试验结果表明:随着爆炸药量的增加,测点压力、加速度和位移的峰值基本均呈增大趋势,且相同测点位移峰值增大最明显;当爆炸药量增大时,先在洞室拱顶出现影响结构安全的纵向裂缝,且随着爆炸药量的继续增加,地下洞室裂缝的部位和数量逐渐增多、宽度逐渐加大,洞室衬砌甚至出现掉落现象;洞室拱顶围岩自两侧拱脚至爆心均出现了“八”字形的裂缝,且随着爆炸药量的增加,裂缝的宽度逐渐加大,甚至出现了拱顶围岩整体塌落的现象。其论文研究成果可为大跨度地下防护工程的抗力评估提供参考。     

基于3DEC的锚杆支护超大跨度洞室抗爆性能数值模拟

为研究锚杆支护对超大跨度洞室动力响应的影响,对锚固支护的地下洞室在顶爆作用下的破坏形式进行了数值模拟研究,并基于3DEC软件参数化建立了不同锚杆支护结构,分析了锚杆间距、长度和直径对超大跨度洞室抗爆性能的影响.数值分析结果表明,将超大跨度洞室拱顶附近岩石用锚杆连接,共同承载压力,有效地降低拱顶的动力响应;锚杆支护效果随着锚杆间距的减小、直径的增大而增强;随着锚杆长度的增加,拱顶挠度先减小后增大;相同锚杆用量情况下,改变间距对超大洞室支护效果的影响最大,改变直径影响次之,改变长度影响最小.     

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。     

大型地下洞室群稳定性地质力学模型试验研究

某地下厂房洞室群规模巨大,地质条件复杂,为了研究地下洞室群开挖施工过程中的应力及稳定情况,采用平面地质力学模型试验,模拟厂区实际地质条件和洞体结构,施加初始地应力荷载,分别对毛洞情况和支护情况按推荐开挖顺序进行试验研究。试验结果表明,毛洞情况开挖过程中洞周位移未发生突变,开挖完毕后,洞周围岩位移均指向洞内,位移量值不大,洞周围岩未出现切向拉应力,围岩具有一定的超载安全储备。锚固支护后,洞周位移减小,洞周围岩应力分布趋于均匀,应力状态得到改善,超载安全系数得到提高,锚固支护效果明显,除了洞室交叉口和洞室拱座处局部发生应力集中外,整个洞室群开挖后围岩应力分布规律正常,应力状态良好,说明施工开挖方式和锚固支护参数是合理的。模型试验和三维非线性有限元计算结果相比较,位移变化规律、破坏形态规律基本一致,从而达到了相互验证的目的。     

在侧爆作用下锚固洞室抗爆加固效果研究

为了给抗爆洞室的锚杆支护设计提供参考,利用数值分析软件LS-DYNA3D程序, 研究了在侧爆作用下的锚固洞室的抗爆加固效果。结果表明:毛洞和锚固洞室裂纹分布比较相似,由于反射拉伸在侧墙附近形成了两个裂纹区;在侧墙附近形成的第一个裂纹区,毛洞形成的裂纹区比锚固洞室广、粗,而在第二裂纹区,锚固洞室的裂纹区比毛洞稍广、细;经过锚杆加固的洞室峰值位移减少1.1 mm,减小24.4%,说明锚固洞室具有较好的抗爆加固效果。     

地冲击荷载作用下等跨正交洞室动力响应研究

交叉洞室是地下防护工程常见的结构形式,它的安全稳定性能直接控制着整个防护工程的服役性能。通过数值模拟方法研究了典型等跨正交洞室在地冲击荷载作用下交叉区域的动力响应。研究表明,相同荷载、埋深和跨度条件下,交叉洞室的变形和破坏范围明显大于单向洞室;随着地冲击荷载峰值的增加,衬砌直墙交叉部位逐渐形成两个中心对称的V型相交塑性带,且衬砌拱脚和直墙底部逐渐屈服;随着洞室跨度的增加,交叉部位拱顶沉降量增量和圆拱最大质点速度逐渐增加,跨度较小时破坏主要集中在直墙部位,跨度较大时破坏主要集中在拱顶部位;地下洞室交叉部位的影响范围长度为距离交叉中心1.6倍的洞室跨度,交叉部位拱脚和直墙底部是受力薄弱部位,建议局部加厚支护,提高洞室的稳定性。     

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。     

遗传算法在洞群二次衬砌厚度优化中的应用

 因地形地貌及工程间的相互影响,高密度地下洞室群的出现概率逐渐增大,洞群各洞室与洞群整体稳定性的关系、洞群的主导破坏模式、合理规划设计各洞室支护措施强度以实现等强度设计理念等课题研究的需求越加迫切。基于有限元强度折减理论,依托重庆某一大型高密度地下洞室群,对比现行安全系数主要判定准则在洞群应用中的可行性及合理性;基于最小二乘法,利用二次多项式对各洞室安全系数与二衬厚度的隐含关系进行显示拟合,并通过遗传算法对二衬厚度进行优化。洞室间夹层围岩等次要部位的局部破坏对洞室乃至洞群的整体稳定性影响较小。并行洞室的主导破坏模式与两者间距、埋深等因数有关,主要分为3种破坏模式：埋深较浅且洞间间距较大,洞室拱顶塑性围岩破坏区向背离洞群中心的斜上方发展并贯通至地表,洞群破坏;当埋深较深且洞间间距较小,各洞室拱顶塑性围岩破坏区向靠近洞群中心的斜上方交汇贯通,洞群破坏;当洞间间距及埋深均处于两种破坏模式之间时,上述两种破坏模式共同导致洞群破坏。洞群主导破坏模式多样,洞室关键点位移随强度折减系数的变化曲线不一定有明显的突变点,此时宜结合塑性区分布及其发展历程共同确定洞室安全系数。基于最小二乘法的二次多项式对隐含关系显示表达,利用遗传算法对洞群各二衬厚度进行优化,既可达到一定的拟合精度也能得到较理想的优化结果。     

顶爆作用下地下大跨度硐室抗爆性能研究

钻地武器爆炸荷载下地下工事的稳定是保障军事和物资储备安全的前提。通过物理模型试验和数值模拟相结合的方法,研究了顶爆作用下大跨度地下硐室的抗爆性能。研究结果表明:随着爆心距的增加,压应力峰值和位移峰值均逐渐降低,加速度响应主要发生在前20 ms;8 g TNT当量顶爆荷载作用下,爆点附近围岩破坏严重,硐室拱顶内壁出现轻微纵向裂缝,总体保持稳定;随着爆压峰值的增大,硐室变形逐渐增大,塑性区逐渐由爆腔向硐室扩展,衬砌结构的塑性区破坏范围也同步增大。根据硐室动态响应规律,可以针对硐室上方围岩和拱脚进行锚杆锚索加固,从而提高硐室的抗爆性能。研究结果可以为大跨度地下硐室抗爆设计提供有益借鉴。     

高地震烈度区岩体地下洞室动力响应分析

 考虑地震荷载特征及地下洞室的特点,利用动力时程分析法,对金沙江两家人水电站地下厂房洞室进行地震动力响应分析。研究自然地震波作用下,有无衬砌工况下的厂房洞室相对位移、点安全系数变化趋势,分析地震波穿越地下洞室时位移变化规律及厂房洞室衬砌抗震效果。结果发现：地震波传播除了受介质、结构面分布的影响外,还受岩体洞室面的影响,洞室自由面附近岩体的振动强度被放大;地下洞室断面质点最大相对位移、点安全系数波动规律与地震波谱相似;地下洞室壁及F4断层未出现较大永久性位移,处于弹性可恢复范围;施加衬砌后洞室的振动强度降低,洞室围岩刚度增大,其所承受的地震荷载亦随之增大,而位移减小,支护后洞室最大相对位移及永久性位移比无支护工况下分别平均下降10.88%和29.20%,洞室衬砌抗震效果良好。研究结果可为类似工程问题提供参考。     

杨房沟水电站地下厂房围岩稳定分析

杨房沟水电站地下厂房是典型的大跨度、高边墙地下洞室群,工程区地质条件较复杂,高边墙及洞室间岩柱的稳定性是洞室设计的关键。根据地应力测试数据,采用边界位移条件回归方法,构造出厂区初始地应力场。采用FLAC3D软件对洞室群围岩稳定进行计算分析,获得洞周围岩变形与应力特征、塑性区分布及支护结构的受力状态,对地下厂房洞室群围岩稳定性做出评价,为洞室设计提供了科学依据与技术指导。     

土钉瞬态应力的试验研究

为了描述土钉支护抗动载机理,进行了洞室土钉支护抗动载性能试验。概述了试验的基本情况与要素,并给出了洞室拱顶土钉的测试数据。依照一维粘弹性理论对拱顶土钉进行了Maxwell模型的移植拟合。考察对比了毛洞段与土钉支护加构造措施段在爆炸应力波作用下的瞬态应力与埋深位置的关系及其相对应力与相对点距离的关系。试验表明,土钉支护加构造措施段具有良好的粘弹性动力性能。     

地下压气储能圆形内衬洞室内压和温度引起应力计算

地下压气储能岩石内衬洞室内,不断变化的气体内压和温度引起的应力场是关乎洞室稳定性、耐久性的重要因素,由此提出了一种计算气压和温度引起应力变化的解析方法。将内衬洞室考虑成由密封层、衬砌和围岩组成,首先建立了洞室温度和气压求解的控制方程;利用拉普拉斯变换和叠加原理得到每个循环内洞室温度和气压随时间的变化;采用热弹性模型得到内压和温度引起的应力场。基于解析方法,给出了典型循环周期内洞室应力变化情况;接着通过一个热-力以及洞室气体耦合求解的数值模型以及不考虑密封层和衬砌的温度场解析方法来验证本文方法;最终探讨了温度对总应力的影响程度,以及不同换热系数的影响。结果表明：本文方法是可行的;温度和内压引起的密封层和衬砌内环向拉应力非常大;温度对于压气储能洞室有着不可忽略的作用,温度对于环向和纵向应力的影响程度要大于对径向应力的影响;换热系数对应力变化影响很大。     

Influence of cavern spacing on the stability of large cavern groups in a hydraulic power station

Many factors influence the static and dynamic stabilities of the rocks surrounding large cavern groups, such as in a hydropower station. In order to study the influence of cavern spacing on the stability of adjacent caverns, two kinds of dynamic-history simulation models for large cavern groups were set up by considering three different strengths of rock masses (soft rock, medium hard rock, and hard rock). One model included two caverns and the other included three caverns. The numerical simulations of these models were conducted under the loading of gravity and the combined loadings of gravity and earthquake motion, separately. To fully consider the dynamic features of rock masses, a damaged plasticity model with a non-associated potential flow was adopted for the surrounding rocks. Due to the stress redistribution and the scattering effect, simulated results indicate that, taking the caverns located in soft rocks, for example, if the spacing is less than one cavern characteristic length (taken to the biggest width of a cavern in the group), the static and dynamic responses of adjacent caverns are significantly affected by their spacing. The damage and the distribution of tensile stress surrounding the caverns are extremely extensive. Once the spacing approaches or exceeds twice the cavern characteristic length, the damage and the distribution of tensile stress of caverns keep unchanged, and the effect of nearby caverns disappears. In some situations, as the rock strength decreases, the damage becomes more severe and the area of tensile stress becomes more extensive. The critical distance of cavern spacing decreases as the strength of the surrounding rocks increases. The conclusions of this work could be used as a primary guidance to the anti-earthquake design for practical engineering.     

复杂地质条件下大埋深隧洞衬砌与围岩协同作用#br# 物理模型试验研究

围岩-支护协同作用是地下工程支护结构设计的核心问题,关乎着地下工程建设的成败。为揭示深埋隧洞围岩与支护结构协同作用机理,以滇中引水最大埋深约1512m的香炉山隧洞为研究背景工程,首次开展复杂地质条件下深埋隧洞衬砌与围岩协同作用真三维地质力学模型试验,真实再现隧洞开挖与支护的施工全过程。模型试验研究表明：1）不同地质条件下隧洞围岩的应力释放过程不同,硬岩隧洞围岩应力释放速率先慢后快,软岩隧洞应力释放速率先快后慢;2）不同地质条件下隧洞衬砌与围岩接触压力的分布形式不同,硬岩隧洞最大接触压力位于拱肩,软岩隧洞最大接触压力位于拱顶;3）衬砌与围岩协同作用包括两种应力释放机制、3个施工阶段和4种承载状态;4）不同地质条件下隧洞衬砌施作后围岩和衬砌承担的荷载比例不同,硬岩隧洞围岩平均承担约85%的荷载,衬砌约承担15%的荷载,软岩隧洞围岩平均承担约25%的荷载,衬砌承担约75%的荷载。     

大型地下洞室位移量级预测初步探讨

 位移是岩体最容易测量与控制的参数,其量级与速率是隧道工程围岩稳定评判或位移监控的基本参数。但对于大型地下洞室而言,目前尚未建立相应的标准。以我国西南地区已建或开挖完毕的6个水电站大型地下厂房的位移监测成果为基础,总结影响地下厂房围岩位移量级的因素,提炼出主要影响因素,即围岩初始地应力水平和岩体性状,分别用最大主应力 与岩块饱和单轴抗压强度 表征。引入围岩应力强度比 代表2个主要因素,建立其与边墙最大和平均位移量级的2个经验关系式,取得了较好的研究结果,该成果可为地下洞室位移监测设计、预警与监控标准的建立提供参考。最后,对经验公式的适用性与改进途径进行分析。