深埋球形洞室围岩分区破裂化机理

在高应力和复杂的地质环境中,深部球形洞室围岩在开挖扰动下会出现破裂区和非破裂区交替出现的分区破裂化现象,研究分区破裂化现象可以深化深部岩体的力学性能研究,同时对深埋洞室的开挖和支护设计提供理论基础。该文研究的深部球形洞室外部受到静水压力的作用,洞室内壁受到一个随时间变化的开挖荷载的作用,其运动方程用位移势函数来表示。通过Laplace变换简化计算,获得势函数的通解,从而获得了在开挖扰动下洞室围岩的应力场和位移场。当围岩应力场满足深部岩体强度准则时,岩体破裂,从而产生变形局部化。岩体破坏产生的应力重分布可能导致新的围岩破坏,从而产生二次破裂区;以此类推,直到应力释放后不能产生破裂区为止。根据断裂力学确定破裂区的残余强度,并确定破裂区和非破裂区的宽度和数量。破裂区的形成受到岩体力学性能、洞室开挖方式和速度等较大的影响。     

溶洞规模对深埋隧道爆破围岩稳定性的影响

为了研究埋岩溶隧道爆破开挖时围岩损伤机制,通过动静组合(爆炸荷载、地应力共同作用)作用下岩体损伤演化方程建立应力场与损伤场之间的耦合关系,并根据渗透系数随损伤的变化方程建立动静组合作用下岩体渗流-应力-损伤耦合模型。利用COMSOL Multiphysics软件建立计算模型并进行二次开发,研究在不同溶洞空间位置及尺寸条件下爆破开挖对围岩稳定性的影响。研究表明:当溶洞位于隧道上侧时围岩中孔隙水压力最大;溶洞半径越大围岩中孔隙水压力越大。在孔隙水压力的作用下,隧道与溶洞间岩体中的有效应力先衰减后增强。随着有效应力的衰减,隧道围岩损伤范围与溶洞围岩损伤范围的变化规律相反。     

采矿爆破振动对巷道围岩影响的数值模拟研究

采用FLAC3D3.0数值模拟软件,对巷道围岩在自然应力状态下和爆破振动荷载作用下巷道的围岩应力场、变形场和塑性区的状况及其变化特征,进行了计算机数值模拟。得到了采矿巷道的应力场和变形场,根据结果对比分析得出深孔爆破振动荷载对巷道围岩的影响及其特点。     

掘锚机在煤巷快速掘进中的应用

掘锚机在煤层巷道中的开挖速度会影响巷道围岩体的应力场和位移场,给煤层巷道的安全连续开采带来巨大的挑战。以山东省兖州煤田为研究对象,运用数值模拟和现场监测的手段研究巷道开挖支护时的应力场和位移场。结果表明,煤层竖向应力曲线均呈非线性变化,在约1.0倍开挖宽度的位置处出现竖向应力峰值,随着掘锚机开挖速度的提高,煤层的竖向应力峰值也不断增加;随着煤层巷道开挖进尺的增加,煤层顶板竖向位移曲线呈非线性减少规律,并且无收敛现象,煤层巷道侧壁水平位移曲线也呈非线减少规律,但存在位移收敛现象;降低掘锚机的开挖速率可以减少煤层顶板竖向初始位移值和侧壁的水平向初始位移值;现场实测结果与数值模拟结果对比表明,掘锚机开挖数值模拟的结果与实际相符,结果具有可靠性。     

偏心不耦合装药爆炸应力场的动光弹研究

利用全息动光弹实验系统对偏心不耦合装药爆炸应力场进行了研究。结果表明：装药结构对围岩中应力波的产生和发展有显著的影响;围岩中初始应力波峰值压力分布随药包与腔壁间隙的增大而降低;由于药包的偏心作用,围岩中产生的B波较球形耦合装药显著增强;S波的波阵面与爆扩形成的腔体形状有明显的几何相似特性,表明了围岩的破坏主要是S波作用的结果。该研究结果对于改进光面爆破装药结构提高光爆效果同样具有一定的借鉴价值。     

地下洞室爆破开挖诱发围岩损伤特性及PPV阈值研究

地下洞室爆破开挖产生的围岩损伤主要由爆破荷载和地应力重分布共同作用引起。针对圆形隧洞全断面毫秒延迟爆破开挖过程,采用LS-DYNA有限元数值模拟研究了不同地应力水平下爆破开挖诱发围岩损伤的机理及爆破损伤PPV阈值变化规律。研究表明:地应力对爆破荷载产生的张拉损伤起抑制作用,高地应力条件下,爆破荷载产生的岩体损伤仅限于围岩表层,地应力重分布引起的岩体压剪破坏是围岩中大范围损伤区形成的主要原因;爆破过程中开挖面上地应力瞬态释放所产生的附加动应力也是影响围岩损伤的重要因素,相比于准静态卸荷,地应力瞬态卸荷产生的围岩损伤范围更大;随着地应力水平的提高,岩体爆破损伤的PPV阈值呈先增大后减小的变化趋势,地下洞室爆破安全振动控制标准应考虑地应力状态的影响。     

不耦合装药爆炸扩腔机理研究

在大量现场试验的基础上,通过动光弹实验和理论分析,对敞口条件下岩石的爆炸扩腔机理和规律进行了研究.敞口条件下球形偏心不耦合装药爆炸扩腔初始应力场的动光弹研究结果表明:装药结构对围岩中应力波的产生和发展有显著的影响;围岩中的初始应力分布随药包与腔壁间隙的增大而降低;由于药包的偏心作用,围岩中产生的S波较球形耦合装药显著增强;S波的波阵面与爆扩形成的腔体形状有明显的几何相似特性,表明了围岩的破坏主要是S波作用的结果.在对经典敞口爆扩经验公式和现场试验结果进行分析比较的基础上,提出了敞口条件下多次爆扩的剥落扩腔作用机理:认为敞口条件下多次爆扩的腔体扩大是冲击载荷压缩扩腔和二次冲击剥落扩腔共同作用的结果.     

深部岩体中切槽爆破机理实验分析

深部岩体爆破致裂是初始应力场和爆炸动态载荷叠加作用结果,采用动静组合加载试验装置和焦散线实验系统,在PMMA模型试件中施加初始静态应力场和爆炸动态载荷,探讨炮孔切槽与水平方向成不同角度(0°,45°和90°)下,初始应力场对爆生裂纹扩展规律的影响效应。实验结果表明:①初始压应力场中,切槽孔的存在改变了圆形炮孔周边应力集中;②0°角时,初始应力场降低了裂纹尖端应力集中,抑制裂纹的扩展,且应力越大,抑制效应越明显,但不改变爆生裂纹的扩展方向;③45°角时,初始应力场改变了裂纹扩展模式,由Ⅰ型断裂向混合型转变,随着应力越大,Ⅱ型断裂越明显,且裂纹向最大主应力方向偏转;④90°角时,初始应力场提高了裂纹尖端应力集中,促进裂纹的扩展,且应力越大,促进效应越明显,不改变爆生裂纹的扩展方向。研究结果为深部岩体中开展切槽爆破技术提供理论指导。     

深埋隧道轴线合理布置与衬砌结构稳定性研究

深埋隧道常处于构造应力状态,且水平应力分布并不均匀。采用数值模拟和模型试验方法,研究自重应力场、水平大主应力与洞线平行和垂直、不同围岩级别隧道轴线选择对围岩和衬砌结构稳定性影响。水平大主应力与洞轴平行时,围岩最不利位置发生在边墙;水平大主应力与洞轴垂直时,围岩最不利出现在拱顶。水平地应力使得二次衬砌受力特征发生很大改变,自重应力条件下,衬砌首先发生裂缝部位为拱顶,发生压弯破坏,建议加强衬砌拱顶内侧纵向配筋,提高正截面抗拉能力。当大主水平应力与轴线垂直时,关键控制部位为墙脚,出现压剪破坏,应增设墙脚箍筋,提高抗剪承载力。规范提出隧道轴线宜与水平大主应力方向一致原则,是有适用条件的。研究成果可为深埋隧道设计、施工提供参考。     

岩体隧道开挖过程中围岩稳定性的数值分析

天然岩体在隧道开挖过程中会受到不同程度的扰动,在岩性较好的地层中,研究岩体在开挖过程中的围岩稳定性,对于隧道开挖有着重要的意义。本文以重庆至长沙公路水江至界石段南湖隧道工程为例,运用有限差分软件FLAC3D建立三维数值模型。分析岩体在开挖过程中无支护条件下围岩的自稳能力,着重分析洞室周边各关键点在开挖过程中的位移和应力的变化规律,为其他相类似的工程提供有益的理论依据。     

基于分形理论的围岩动静力组合损伤研究

深埋隧洞爆破开挖过程中,爆炸荷载和地应力的共同作用是造成围岩损伤的主要原因,威胁到岩体工程的安全。首先在原有裂纹分形模型基础上,引入最大拉应力理论和应变能密度理论作为联合判据,同时考虑岩体拉伸和压缩损伤对围岩参数的劣化影响,建立适合于高地应力条件下的爆破开挖拉-压剪损伤本构模型。然后将模型成功嵌入到动力有限元数值分析中,对锦屏水电站引水隧洞爆破开挖损伤效应进行动力计算,并与实测数据进行对比。在此基础上研究了相同地应力环境下,不同爆炸装药条件对围岩损伤的影响规律。结果表明:岩体损伤区中,内损伤区损伤程度大,主要受爆炸荷载拉-压剪联合损伤作用;外损伤区,损伤程度相对较轻,主要受地应力影响。当爆炸荷载达到一定量级后,随着爆炸荷载的增大,围岩的损伤区先快速增大,然后增速减缓,但内外损伤区的差值,则是先减小后增大。     

小净距隧道先行洞爆破开挖对后行洞围岩稳定性影响研究

为研究小净距隧道先行洞爆破开挖对后行洞围岩稳定性的影响,以浙江义东高速防军隧道项目为工程背景,根据能量衰减规律推导出爆破施工中围岩振速计算公式,采用有限元软件MIDAS GTS NX模拟不同净距条件下围岩振速及应力的变化规律,将围岩振速数值结果与理论值进行对比分析,验证了振速计算公式的准确性。根据振速与应力之间关系,提出保证隧道安全施工的振速阈值。结果表明：后行洞围岩振速大小理论值与模拟值最大相对误差为5.9%,与现场监测数据最大相对误差为7%,验证了理论公式的准确性;后行洞隧道振速峰值与先行洞隧道爆破中心距呈负相关,围岩迎爆侧面监测点振速峰值大于背爆侧,2D为防军隧道爆破施工时最小安全净距(D为隧道净距),此时上台阶开挖最大振速峰值约为下台阶的1.2倍;爆破开挖后围岩应力峰值与振速峰值主要集中在拱腰及拱脚附近,随着净距增大,先行洞对后行洞的影响逐渐减弱,最终忽略不计;爆破作用下,围岩应力峰值和振速峰值具有一定线性关系,保证隧道爆破安全施工的振速控制阈值为1.9 cm/s,研究成果可为今后类似小净距隧道工程爆破施工提供借鉴。     

多洞室群围岩稳定性数值模拟研究

该文以某地质条件为背景,采用力学分析、FLAC3D数值模拟对围岩损伤演化、围岩变形情况以及应力响应特征等进行了模拟分析,得出以下结论 ：洞室面积、围岩强度、应力环境以及扰动影响等对洞室围岩稳定性起至关重要的作用,同时,由于受到多洞室群开挖的影响,应力重新分布,塑性区、应力分布特征及围岩变形演化规律均有不同程度的变化,为后期围岩支护带来一定的困难。该研究可为地下多洞室围岩稳定性管理提供借鉴。     

铝合金薄壁框架件加工变形的应力分布研究

7075航空铝合金薄壁框架件加工变形的预测是构件形变控制领域的技术难题,掌握铝合金薄壁框架件上的加工应力分布对预测构件变形有着重要的作用.本文运用弹性力学理论,在实验基础上,利用层削法和X射线衍射应力测试技术,建立了薄壁框架件的应力与弯曲变形的力学模型.模型反映了加工应力和初始应力对构件实际变形的影响机制,在此基础上,再通过数学解析方法,以这两种应力场分布为主变量,构建了薄壁框架构件应力与变形的函数,完成了对构件最大变形挠度的计算.通过比较实验所测构件变形值与计算得到的变形结果发现:构件实际测量最大变形量基本处于数学解析函数计算变形区间内,数据偏差在20~50μm.研究结果表明:在已知初始应力、结构尺寸、加工参数条件下,解析函数能有效地预测出薄壁框架件加工后的变形,可为薄壁构件加工变形控制提供工艺指导.     

三峡大坝坝基粘弹性应力场与渗流场耦合分析

根据三峡大坝基岩的具体特点,本文提出了坝基岩体粘弹性应力场与渗流场的耦合分析模型,并对坝基开挖过程进行了模拟计算分析。该模型采用伯格斯模型模拟基岩的粘弹性流变特性,并假设其渗透系数与应力的关系为指数函数关系,考虑了应力场与渗流场的耦合效应。结果表明,渗流场的作用是明显的。     

考虑初始应力的混凝土重力坝水下爆炸毁伤特性研究EI北大核心CSCD

水下爆炸冲击荷载由于持续时间短、峰值大,对大坝结构的冲击毁伤破坏往往在短时间内完成,故已有的大坝抗爆防护研究中均忽略了大坝初始应力的影响。采用显隐转换技术,实现了大坝初始应力状态从隐式静力分析到显式动力分析的平稳过渡;通过建立考虑初始应力的混凝土重力坝水下接触和非接触爆炸全耦合模型,分析了不同初始应力状态下大坝动态响应特性,分别探讨了重力和静水压力等初始应力对混凝土重力坝水下爆炸毁伤特性的影响,给出了考虑初始应力状态后的大坝水下接触和非接触爆炸毁伤破坏模式。研究结果表明:初始应力会加重坝身冲切破坏,而减轻上游坝面爆炸成坑破坏和坝踵拉伸破坏。     

爆破开挖作用下HD工程地下洞室围岩动力响应特性研究

地下洞室爆破开挖有可能会对开挖洞室本身和邻近洞室产生不利影响,故有必要研究爆破作用下地下洞室围岩动力响应特性,以便于对地下洞室的开挖进行安全评价。结合HD工程地下洞室爆破开挖实例,对实测爆破振动数据进行分析,从中选取合适的数据对爆破荷载进行反演,并采用FLAC 3D数值计算软件对爆破开挖作用下地下洞室围岩动力响应进行模拟和研究。结果表明:爆破作用会对爆源近区有限范围内、有限时间段内的围岩应力及位移分布造成一定的影响,对爆源远区及邻近洞室的应力及位移分布总体规律影响并不显著;随着爆源距的增加,岩体振速峰值衰减明显,而当爆源距较大时,振速峰值衰减趋势相对平稳;相邻洞室岩体振速相对较小。     

片岩隧道爆破对本洞和邻洞围岩的扰动分析

隧道爆破扰动会引起本洞或邻近隧道的围岩振动和应力重分布,致使既有隧道的结构遭受破坏,从而危及行车安全。为探究隧道开挖引起的截面围岩质点振速峰值和拉应力峰值的关系及其分布规律,结合十白高速公路碳质片岩隧道爆破工程,运用LS-DYNA软件对连拱隧道掘进爆破和单隧道掘进爆破工况进行了计算,探明了典型截面围岩质点振动峰值和动拉应力峰值分布特征,分析得出了在爆破近区隧道围岩质点振速峰值方向和拉应力峰值方向之间相互垂直及其分布规律,在爆破中远区隧道围岩质点振速峰值方向和拉应力峰值方向相同并在一定范围类存在比例关系,为隧道开挖过程中最佳测点布设提供理论依据,并能为类似实际工程提供参考依据。     

深冷处理消除7A04长条构件残余应力的建模与仿真

建立了7A04铝合金长条构件深冷处理过程瞬态应力场的有限元模型,在构件瞬态温度场数值模拟的基础上,采用热-力顺序耦合方法对该构件深冷处理过程各阶段的瞬态应力场及残余应力场进行了数值模拟.数值模拟结果表明,该长条构件经深冷处理后其最大残余应力(Mises应力)从淬火状态的314.8 MPa降至152.6 MPa,残余应力幅度Δσ减小37.5%.     

淬火应力场对铝合金厚板固有频率的影响

建立7075铝合金厚板淬火残余应力场数学模型,理论与实验探讨振动时效中淬火残余应力场对板固有频率的影响。结果表明,板尺寸、密度、均匀性等物理材料特性确定时,其固有频率主要受到残余应力场的分布状态影响,且高阶固有频率受残余应力的影响比低阶固有频率大。淬火残余应力场总是增大板的固有频率,振动时效消减或均匀化残余应力的同时,也将降低各阶次固有频率。