辉绿岩非线性流变模型及蠕变加载历史的处理方法研究

 分级加载的流变试验方法采用单个岩样进行试验,可避免岩样离散性对流变变形的影响,但后级载荷的变形量包含前面各级载荷产生的蠕变变形,很容易引起混淆。详细分析流变介质对加载历史的记忆效应,并给出考虑加载历史的蠕变数据处理的具体步骤和数学依据。同时,对大岗山水电站坝基辉绿岩三轴流变试验曲线进行整理,分析其典型的流变特性。根据不同应力水平下的蠕变试验曲线,提出由瞬弹性Hooke体、黏弹塑性村山体、非线性黏塑性体串联而成的岩石非线性黏弹塑性流变模型。该流变模型通过引入非线性黏塑性体可以描述岩石流变的减速、等速特别是加速蠕变阶段。推导非线性黏弹塑性模型的三维蠕变方程,利用不同应力水平下岩石蠕变试验曲线,对流变参数进行反演。结果表明,非线性流变模型计算曲线与试验曲线较吻合,证实所建模型的正确性与合理性。     

类岩石材料表面裂纹复合型断裂准则探讨

 开展含表面裂纹的类岩石材料试件的直接拉伸试验,分析表面裂纹倾角对试件峰值强度及破坏过程的影响。由于倾斜表面裂纹处于I,II,III复合变形状态,为了进一步研究表面裂纹的断裂判据,利用断裂力学软件计算半圆形表面裂纹前缘的应力强度因子,分析表面裂纹前缘3种应力强度因子的变化规律。根据最小应变能密度准则、最大应力准则以及改进的最大应力准则分别预测半圆形表面裂纹的起裂角,并与前述试验结果进行对比,结果表明,考虑III型应力强度因子影响的改进的最大应力准则预测的起裂角与试验结果更接近。     

超大断面隧道开挖围岩荷载释放过程的模型试验研究

以兰渝铁路两水隧道为工程背景,进行超大断面铁路隧道开挖支护的大比尺三维地质力学模型试验,对开挖过程中的围岩荷载释放过程进行研究。根据工程现场地质情况研制满足相似要求的新型模型试验相似材料,经室内试验验证,该相似材料与原岩材料的力学性质有很好的相似性,满足试验要求。结合现场实际工况在模型试验不同区段采用不同的开挖支护工法,首先研究全断面及台阶法开挖情况下的围岩荷载释放过程,通过试验数据的分析,揭示不同开挖工法隧道围岩荷载释放全过程的特点和差异。相同开挖工法下,同一断面上不同位置的荷载释放过程存在很大差异;同样,不同开挖工法条件下同一位置的围岩荷载释放过程也不尽相同。其次,掌子面前方围岩受开挖影响会在局部发生先行荷载集中,先行荷载集中程度与开挖工法和断面形式有很大关系,开挖面前方荷载集中程度过高会加剧掌子面围岩的挤出效应,不利于围岩的稳定。最后,通过有无支护开挖情况下围岩荷载释放过程的对比,说明施作支护能够有效缓解开挖过程中的掌子面先行荷载集中现象,减少荷载释放总量,优化隧道围岩荷载释放过程。     

地下工程流–固耦合模型试验新型相似材料的研制及应用

 依托青岛胶州湾海底隧道的现场勘探资料,应用地质力学模型试验的流–固耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和适量拌合水组成的新型流–固耦合相似材料(SCVO)。通过大量的室内试验,系统地研究不同配比对材料参数的影响规律,确定控制相似材料各性能的主要组分。试验表明,材料的强度和弹性模量主要由水泥和凡士林控制;黏聚力受凡士林影响明显;渗透系数可以通过凡士林和硅油的比例调节;硅油还可以起到保水、提高材料密实度的作用。材料的变形特性和水理特性由不同的成分控制,且相互间影响很小,实现材料性质的全面调控。该材料可以模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的流–固耦合相似模拟材料。并已成功应用于青岛胶州湾海底隧道的地质力学模型试验研究中,力学性能和水理特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供材料保证。     

三维电阻率空间结构约束反演成像方法

 反演的多解性是三维电阻率探测的固有问题,极易造成地质解释的误差甚至错误。针对该问题,提出利用其他勘探地球物理方法(如地震反射方法、地质雷达方法等)获得的异常体的空间结构和形态信息作为电阻率反演先验约束的学术思路。首先,提出空间结构约束这一新约束的构制方法,将已知异常区域(由其他勘探地球物理方法得到)映射到三维反演模型中,使得对应区域的各网格之间的电阻率差异极小,建立一种表达简单、易于实现的空间结构约束矩阵,可表征常见典型构造,特别是形态或结构较复杂的地质构造。在此基础上,构造携带空间结构约束的三维电阻率探测反演目标函数及其反演成像方程,形成三维电阻率探测空间约束反演成像方法。然后,基于上述反演方法,开展数值试验和工程应用,将地质雷达和地质分析获得的空间结构约束施加到三维电阻率反演中,发现利用三维电阻率空间结构约束反演方法大大增加了异常区域的先验信息,可有效去除反演成像中的假异常和多余构造,对异常体的定位精度和界面分辨效果较传统的电阻率反演方法有了很大的提高,使得反演结果与地质原型较为一致,显著压制了电阻率探测反演的多解性问题,证明三维电阻率探测空间结构约束反演成像方法是抑制多解性、改善定位精度和界面分辨效果的可行途径。     

锦屏I级水电站地下厂房围岩变形破裂的三维损伤流变分析

 锦屏I级水电站处于高地应力区,地下厂房围岩在此是表现有一定塑性的大理岩。在工程开挖后围岩和支护结构的变形开裂特征明显。针对这些特点,采用损伤流变耦合的三维模型和分析方法,结合运用裂隙张开产生的附加变形分析法,对该工程地下厂房洞室群的稳定性进行分析,将厂房若干关键点的位移量与实测值进行对比,取得了较好的结果;同时,对洞室的长期时效变形进行预测分析。     

四足仿生机器人的分层实时控制系统

针对山东大学机器人研究中心自主研发的液压驱动四足仿生机器人对控制系统的实时性和稳定性要求,设计实现了具有3层结构的分层式控制系统,包括环境感知层、控制执行层和远程控制层,给出了控制系统总体设计方案。利用基于Socket的网络通信技术及基于管道和线程的进程间通信技术,完成了系统中实时数据通信;采用命名管道技术实现了传感器驱动模块挂载,利用MySql数据库技术实现了系统运行过程中的数据备份。通过挂载激光扫描仪数据采集子进程和Trot步态控制任务实验表明,该分层式控制系统的通信实时性良好。     

TBM掘进前方不良地质与岩体参数的综合获取方法

TBM在穿越断层、破碎带、岩溶发育区等不良地质时有时出现突涌水、塌方、卡机等灾害事故,导致TBM掘进效率低下、工期延误甚至是TBM机械损坏和人员伤亡。出现上述问题的一个主要原因就是TBM工作环境极为复杂,难以提前获取前方不良地质与主要岩体参数。因此,提出了一套以地球物理超前地质预报和基于“岩-机关系”预测岩体主要参数的解决方法。在该方法中,采用三维地震超前预报技术远距离识别和预报断层、破碎带、大型溶洞等不良地质;采用三维激发极化获取掌子面前方含、导水地质构造;采用机器学习的手段挖掘TBM机械电液参数与主要岩体力学参数的关系,并初步实现了TBM前方岩体单轴抗压强度的预测。以上述三种方法为核心,提出了TBM前方不良地质与主要岩体参数的综合获取方法及其流程,在实际工程中得到了验证。实际案例表明,综合获取方法可为TBM安全、高效掘进提供前方不良地质和单轴抗压强度信息,并为TBM掘进方案决策提供依据。     

等离子弧移动焊接的热-力耦合穿孔过程

等离子弧焊接中,强电弧可以穿透工件,在焊接熔池内形成一个充满高温电弧的小孔,热量由小孔内的电弧直接传输给下部工件,有利于焊接大厚度的工件。针对移动焊接工况开发出一种耦合小孔演变的热源模型。上表面采用双椭圆面热源,有效地表征工件运动引起的热量不均匀分布;下部采用动态增长的椎体热源,热源作用区域随小孔生长而增大。应用流体体积函数法（VOF）追踪小孔界面,将小孔深度作为热源参数调控热源动态增长。数值模拟获得了移动焊接的小孔传热机理和相应的温度场,同时详细考察了小孔界面及熔池内流动的演变过程。通过实验对比焊接熔池的形状尺寸,验证了该模型的正确性。     

隧道围岩喷护速凝增强效应试验研究及工程应用

 在隧道工程施工中,喷射混凝土作为一种必要的初期支护手段,对隧道围岩稳定性控制起着重要的作用,而速凝剂的品质及掺量又直接影响着喷射混凝土的强度与施工环境。基于铝酸盐速凝剂促凝机制,研制出一种高性能低掺量液态速凝剂。该液态速凝剂苛性比小于1.2,pH值为9～11,含固量为65%,溶液稳定不析出。通过XRD和SEM图谱分析及相关性能试验,该液态速凝剂能有效提高水泥水化程度,短时间内形成大量硅酸钙凝胶,相互搭接形成晶体结构,减少凝结时间;其适宜掺量为水泥质量的1.5%～3%,喷射混凝土后期强度损失在10%以内。在现场应用中,研制出一种高精度小流量液态速凝剂定量添加装置,确保精确控制液态速凝剂掺量;并完善相应的配套喷射工艺,有效提高喷射混凝土强度,降低施工中粉尘和回弹,具有良好的推广和应用价值。