恒阻大变形锚索弹塑性解析模型及数值分析

为了分析恒阻大变形锚索超常力学机制,首先,建立弹塑性框架下NPR锚索的解析模型,经室内试验结果验证了该解析模型的正确性。其次,进行若干参数的敏感性分析,揭示恒阻力与锚索几何、力学参数之间的关系。最后,建立NPR锚索三维数值模型,根据室内试验结果标定了相应的参数,使得数值结果与试验结果吻合,讨论套筒的径向位移量和轴向位移量的变化趋势。解析模型和数值模型为今后NPR锚索的设计和改进提供了可靠的辅助工具。     

恒阻大变形锚索支护巷道变形机制模型试验研究

为解决深部软岩巷道大变形问题,以口孜东矿千米深井巷道为工程实例,采用理论分析及物理模型试验的方法,对恒阻大变形锚索支护巷道的围岩变形机制进行研究。首先基于弹性力学理论,将直墙半圆拱断面巷道简化成圆形断面巷道,得出圆形巷道在恒定支护力、不同应力条件下围岩应力分布特征及巷道位移的解析解。其次基于相似理论,设计并完成模型恒阻锚索巷道支护试验,试验结果表明,随着围岩应力的增大,巷道位移程度增大;随着(水平)构造应力增大,巷道缩帮逐渐大于顶底板移进量,构造应力对稳定性影响显著;恒阻大变形锚索能够将应力向深部转移,使锚索锚固区岩体发挥支撑作用。将巷道围岩位移理论计算值与模型试验中各阶段监测值进行比较,结果吻合较好。与现场监测对比发现,巷道变形规律与试验变形规律一致巷道表面位移误差在5%以内,说明模型试验具有一定的参考性。     

恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用

 传统刚性锚杆允许巷道围岩的变形量一般均在200 mm以下,不能适应巷道围岩大变形破坏而被拉断失效。自主研发的恒阻大变形锚杆能提供恒定工作阻力和稳定变形量,该锚杆主要由恒阻装置和弹性杆体组成,适应于软岩巷道、深部巷道的围岩支护,可以有效控制冲击地压等工程灾害。利用自主研发的恒阻大变形锚杆(索)试验系统对恒阻大变形锚杆进行室内力学特性试验,试验结果表明,恒阻范围内累计变形量最大值可达1 000 mm。在我国典型深部软岩矿井巷道支护进行现场科学试验,效果良好。     

恒阻大变形锚杆冲击拉伸实验及其有限元分析

为了研究在动态冲击作用下恒阻大变形锚杆的力学特性,采用自主研发的恒阻大变形锚杆霍普金森拉杆动力冲击拉伸实验系统,对某批次恒阻大变形锚杆进行动态冲击拉伸实验,从支护阻力、锚杆伸长量和膨胀量等方面对锚杆的动态力学性能进行分析,并验证该锚杆的负泊松比效应。并通过有限元分析的方法与实验结果进行比较,验证有限元结果的准确性。实验结果表明,该锚杆通过产生弹塑性结构变形来吸收冲击能量并具有独一无二的负泊松比效应,因而能良好地适应动态冲击。有限元分析结果与实验结果吻合度较高,不仅体现了有限元分析方法的准确性,也表明今后可以运用有限元分析来佐证或替代部分室内实验的方法。     

恒阻大变形锚杆拉伸力学性能及其应用研究

为了进一步研究恒阻大变形锚杆的拉伸力学性能,采用室内拉伸试验和现场实践相结合的方法,通过恒阻大变形锚杆(索)静力拉伸试验系统对恒阻大变形锚杆进行拉伸试验,从支护能力、锚杆伸长量、直径变形量和吸收能量4个方面对试验数据进行对比分析,并对其进行工程应用。试验与应用结果表明,恒阻大变形锚杆能够在顺应围岩大变形过程中,通过对围岩提供恒定的支护阻力,实现岩体内部变形能量的有控制性释放,从而达到支护体–围岩共同作用的巷道稳定性控制目标。恒阻大变形锚杆独有的恒定较高支护阻力、大拉伸量、锚杆变粗、吸收能量能力强的特点为易发生大变形破坏的软岩及深部巷道工程稳定性控制提供了有效途径。     

双根并联恒阻大变形锚杆吸收冲击能量研究

为了研究恒阻大变形锚杆在动力冲击作用下的吸能规律,开展了双根并联恒阻大变形锚杆动态冲击拉伸实验。实验结果表明:随着冲击速度的增加,恒阻大变形锚杆的工作阻力和伸长量均越来越大,恒阻大变形锚杆伸长单位长度吸收的能量增加。双根并联恒阻大变形锚杆冲击力时程曲线可见两个峰值,第二个峰值总是小于第一个峰值,即当多个恒阻大变形锚杆并联工作时,其冲击力响应水平是逐个衰减,能够有效缓解冲击效应。同时,采用红外热成像法对恒阻大变形锚杆和普通锚杆冲击过程中的温度场变化进行监测,对比研究二者吸能特性,实验表明,与普通锚杆相比,恒阻大变形锚杆吸能效果更好,更利于巷道防冲支护。     

激光位移监测恒阻大变形锚杆SHTB试验研究

选取在切顶卸压自成巷无煤柱开采技术中使用工作阻力为130 kN恒阻大变形锚杆样品,利用何满潮研制的改进型霍普金森冲击拉伸试验系统进行冲击试验,试验中采用激光位移传感器测量冲击位移的非接触测量技术,以期获得恒阻大变形锚杆准确的冲击位移时程曲线,从而得到动力学响应特性。试验中,还采用石英压电式力传感器对恒阻大变形锚杆的冲击力进行监测,获得130 kN恒阻大变形锚杆的动力学响应特性。试验结果表明:冲击荷载下,恒阻大变形锚杆能迅速响应,在0.5 ms内冲击力和锚杆伸长速度都达到峰值;不同的冲击速度下,恒阻大变形锚杆的冲击力和变形速度都是一个波动衰减的时间发展过程。恒阻大变形锚杆的变形是一个弹性–滑移–弹性恢复的过程。     

基于落锤冲击试验的恒阻大变形锚杆动力学特性

为了优化岩爆、冲击地压等动力学灾害条件下的岩体支护设计,选取在切顶卸压自成巷无煤柱开采技术(110工法)中广泛使用的恒阻大变形锚杆样品进行了落锤冲击试验研究。利用应力波与弹性动力学理论建立恒阻大变形锚杆临界冲击高度、冲工作击力与冲击位移的理论模型;对锚杆样品进行在不同落距下的落锤冲击试验。锚杆单次落锤冲击全程时域波形曲线由多个冲击峰值组成,第一个冲击峰值高于锚杆的静态恒阻力P_0,其余的峰值由于透射与反射形成的卸载波的叠加,其峰值均小于恒阻力P_0,直至将冲击载荷衰减至0;将第一个冲击峰值的时间尺度放大后的波形特征分析表明:恒阻大变形锚杆冲击载荷的衰减模式为第一阶段冲击工作阻逐渐减小的多周期黏滑运动,第二阶段为快速衰减的摩擦滑动,表明恒阻大变形锚杆具有良好抗冲击性能。将建立的理论模型代入试验条件得到的理论预测值与落锤冲击试验值相比较,两基本吻合,验证了理论模型的正确性。     

土质边坡稳定性弹塑性大变形有限元分析

文章采用大型非线性有限元平台ABAQUS,针对土质边坡稳定性问题,通过大变形弹塑性有限元数值计算与结果对比分析,探讨了土质边坡极限失稳破坏过程与机理.     

岩体变形加固理论及非平衡态弹塑性力学

完善了基于不平衡力的变形加固理论,建立起严格的理论基础。指出对于给定的外荷载,结构的工作区域可能是弹性区、稳定弹塑性区或非稳定弹塑性区,结构在非稳定弹塑性区需要加固力维持稳定。经典弹塑性理论只适用于弹性区和稳定弹塑性区,变形加固理论的理论基础是非平衡态弹塑性力学,它是经典弹塑性理论的增量延拓,适用于非稳定弹塑性区。结构在非稳定弹塑性区服从最小塑性余能原理,该原理要求在给定外荷载的情况下,结构自承力最大化而加固力最小化,该理论为新奥法施工技术提供了严格的理论依据。指出潘家铮最大最小原理就是最小塑性余能原理在结构极限状态的特例和推论。最后给出了变形加固理论在溪洛渡高拱坝建基面优化设计上的应用。     

边坡稳定性弹塑性大变形有限元强度折减分析

介绍了采用更新拉格朗日法的岩土体弹塑性大变形本构方程和有限元公式的推导过程。运用弹塑性大变形有限元强度折减法分析边坡稳定性,计算程序不收敛,塑性区贯通坡体,边坡失稳。揭示了因降水引起边坡土体强度的降低是边坡发生破坏的主要因素,坡体重量的增加是次要因素,为边坡治理设计提供了科学依据。     

钢板件考虑损伤的循环弹塑性大变形分析

建立结构钢弹塑性各向异性损伤本构关系,采用U.L格式的壳体大挠度双重非线性有限元分析方法,对四边简支矩形薄钢板进行面内拉压循环荷载作用下的滞回性能分析,讨论残余应力、初始挠度、宽厚比对板件循环性能的影响.     

弹塑性颗粒物质准静态变形的细观力学行为

本文介绍了对由弹塑性圆球组成的粒度多分散系统进行的轴向准静态加载和卸载的数值模拟成果。首先介绍了基于理论接触力学导出的颗粒弹塑性接触模型,进而阐明了基于颗粒离散元法对颗粒物质准静态变形模拟的基本方法。研究发现:弹塑性球颗粒系统在加载时其轴向刚度对颗粒间产生的塑性变形量及颗粒间的摩擦均很敏感。然而,颗粒间的摩擦对轴向加载时系统产生的水平应力没有很强的影响。数值模拟还提供了颗粒量级上的微力学内部变量的信息。这里引入并介绍了结构异性张量、滑动接触比率以及平均配位数。通过对这些参数的研究表明:在卸载的全过程中,颗粒间相对滑移出现,相互作用的颗粒数减少,系统内部结构产生不可恢复变形。因此,尽管在卸载应力应变曲线的初始段约为线性,但这并不意味着颗粒系统的响应如传统连续力学中假定的那样为弹性。     

非连续变形计算力学模型弹塑性数值分析方法及其应用

在笔者所建立的非连续变形计算力学模型弹性分析方法基础上 ,进一步考虑材料的弹塑性 ,基于分区参变量最小势能变分原理 ,建立了非连续变形计算力学模型弹塑性分析的数学列式和求解方法 ,分析了不同材料特性的基础梁和岩基相互作用问题。计算结果表明 :这种非连续变形计算力学模型弹塑性分析方法将材料的非线性与多体相互作用系统的接触非线性或界面非连续性相耦合 ,能够模拟多体间的非线性相互作用特性 ,是一种处理岩土工程中多体非连续变形体系的新颖而有力的数值计算方法     

恒阻锚杆支护机理数值分析

为了研究恒阻锚杆的拉伸力学性能,采用RFPA软件对恒阻锚杆进行拉伸数值试验,试验结果表明,恒阻锚杆拉伸断裂后塑性应变最大值是弹性应变最大值的12倍,并且在塑性变形过程中应力值在28.01～38.71 MPa范围内波动,且波动较为稳定,数值试验结果与何满潮院士室内试验结果吻合度较高,验证了数值试验方法的准确性和可靠性。以此为依据,进一步采用数值试验方法研究荷载作用下恒阻锚杆和围岩相互作用原理,分析锚固岩体的受力特征和变形破坏特征,并对比分析传统锚杆和恒阻锚杆的支护效果,通过对比分析可知,恒阻锚杆的支护效果优于传统锚杆,为易发生大变形破坏的软岩及冲击地压控制提供了有效途径。     

深部软岩工程大变形力学分析设计系统

采用飞箭软件公司的有限元程序自动生成系统作为软件开发平台，进行“深部软岩工程大变形力学分析设计系统”的合作开发工作。该软件系统具有如下特色：（1）以和分解有限变形力学分析模型为主体，包括极分解力学分析模型供用户进行对比分析；（2）强调非线性大变形力学设计特色：力学对策设计、过程设计和参数设计；（3）包括多种岩土材料本构模型和工程材料单元，可以进行边坡工程、地基工程、地下洞室工程等大变形力学分析；（4）具有我国自主知识产权。目前该软件的弹性、弹塑性大变形二维计算程序和界面已经开发完成。通过对典型算例的弹性数值分析，验证大变形程序的正确性。该软件系统的问世，可为深部软岩巷道等岩体大变形力学问题提供具有分析和设计功能的数值分析软件系统。     

大断面黄土隧道变形特征及力学模型分析

在大断面黄土隧道施工中,由于黄土土层中存在大量的垂直节理及构造斜节理,这些节理构成了黄土的软弱结构面;同时由于施工对地层的扰动,这些软弱结构面将土体切割成不稳定结构体,当其发育到一定程度时,会导致浅埋黄土隧道上覆盖土层的地表产生裂缝,严重时则出现塌方。文中应用有限差分法并引入接触单元对黄土隧道进行模拟计算分析,对黄土隧道所应用CRD工法的适用性作综合评价并提供参考依据。     

花园宾馆主楼弹塑性变形验算分析

合肥花园宾馆改扩建一期工程主楼需进行抗震专项审查,大震作用下必须进行弹塑性变形验算。文章对该工程的动力弹塑性变形验算进行了详细的分析和研究,验算结果中塑性位移角、塑性铰出现规律、大震截面抗震验算等满足抗震性能设计要求,对于近似工程的弹塑性变形验算具有借鉴意义。     

空间框架弹塑性变形时程可靠度分析

框架结构在多维地震作用下应作空间弹塑性时程分析。而地震作用时可靠度指标是与时间有关的函数。故以《建筑抗震设计规范》和《混凝土结构设计规范》为依据,介绍了在多维地震作用下,建立结构变形能力功能函数,把改进的JC法与弹塑性时程分析法、矩阵位移法相结合,推导出结构变形能力可靠度指标的主要过程。     

大变形隧道预应力锚索支护技术的应用研究

在地下工程当中,大变形隧道的支护问题具有十分重要的意义。在大变形的情况下,利用普通锚杆支护方法进行支护,会极大的提高工程成本,并且支护效果十分有限,还有可能会发生锚杆支护体系失效的问题。而采用预应力锚索支护,在能够取得更为理想的效果。预应力锚索具有锚固长度大、杆体强度高、初锚力高等优点,同时不会过于依赖围岩条件,属于主动支护手段中的一种。因此,在大变形隧道的支护当中,应用预应力锚索支护技术,能够更好的维护隧道稳固安全。