三维高静载频繁动态扰动时岩石损伤特性及本构模型

采用改进的SHPB试验装置,进行深部岩石的三维高静载频繁动态扰动试验,分析动态应力-应变曲线的一般特征,可将其细分为微裂纹稳定发展、微裂纹非稳定发展、疲劳损伤、疲劳破坏4个阶段进行描述,其中峰值后的2个阶段处于动态应力卸载过程。基于连续因子、应变等效原理及统计损伤理论定义岩石的损伤变量并推演损伤演化方程,采用组合模型法建立岩石的本构模型。结合试验数据,验证岩石的损伤演化规律及建立的本构模型,结果表明:利用推演的损伤演化方程计算出损伤变量,其与动态应变的关系曲线符合试验中岩样的损伤规律;建立本构方程的拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性,说明建立的本构模型可以用来预测深部岩石处于三维高静载频繁动态扰动时的动力学特性。     

高轴压和围压共同作用下矽卡岩受频繁动态扰动时的动力学特性

以冬瓜山铜矿深部出矿进路附近的矽卡岩为研究对象,采用改进的SHPB试验系统,进行高轴压和围压共同作用下受频繁动态扰动时深部矽卡岩动力学特性的研究。研究结果表明：预加载的高轴压和围压促使岩石内部微裂纹闭合,致使冲击荷载作用时动态应力-应变曲线初始阶段无下凹现象,即无压密阶段;峰值应力后,当岩样内部存储的弹性力大于卸荷时的冲击荷载时,出现应变减小的回弹现象,否则压缩应变一直增大至岩样破碎;累计扰动冲击次数随围压增大递增,随轴压增大递减,且增减率受围压、轴压大小的影响;动态变形模量、动态峰值应力随扰动冲击次数增加而减小,但最大应变及动态峰值应变增加;动态均值强度随轴压增大而减小,随围压增大先减小后增大;岩石动态变形过程中伴随着弹性变形,产生的回弹应变总体上随扰动冲击次数的增加呈先增大后减小的趋势发展。     

高应变率条件下三峡工程花岗岩动力特性的试验研究

采取多种措施改进了分离式Hopkinson压杆试验技术,用改进的设备对三峡坝址处的花岗岩进行了大量的动态单轴压缩试验和劈裂试验,发现该岩石具有明显的应变率效应,其动态压缩破坏呈3种形态：边缘崩落、留心破坏、完全破坏;探讨了相应的破坏机制;分析了应变率对动态弹性模量和动态抗压强度的影响;以Hoek-Brown破坏准则为基础建立了相应的动态破坏准则。     

动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明：初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷（如二次冲击、岩体挤压）作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。     

深埋硐室高围压条件下的围岩动力学响应

地下硐室开挖过程中,应力波对硐室周围围岩位移及其应力应变变化规律起着十分重要的作用,准确分析应力波对硐室围岩的影响规律,不仅可以作为检验施工设计的依据,而且可以预测预报围岩的稳定性和调整开挖方式、支护设计等,从而合理地指导施工。利用三维快速拉格郎日法(Flac3D有限元分析程序),以冬瓜山铜矿某破碎硐室为实例,在硐室围岩模型的上边界施加动力载荷,以模拟外界动力扰动对硐室围岩稳定性的影响,再通过加载峰值,来考察动载强度对硐室围岩的影响,得出了硐室围岩在不同时刻的应力和塑性区分布情况。研究表明:当扰动应力波来自硐室围岩竖直方向时,其对硐室拱顶和底板围岩的稳定性影响较大;当扰动应力波来自硐室围岩水平方向时,其对硐室侧壁围岩的稳定性影响较大。     

复杂地形条件下高面板堆石坝动力反应分析

面板堆石坝具有良好的抗震能力的特性已被数次强震证明,但其动力反应依然是一个值得关心的问题,尤其是在坝高跨入300 m级、河谷地形条件较复杂等情况下。采用等价黏弹性模型,对复杂地形（河谷呈不规则“W”形）条件下高面板堆石坝的动力反应进行分析,得出复杂地形条件下混凝土面板堆石坝（CFRD）坝体、面板的动力反应分布较单一地形条件下复杂,但规律基本相同;最大的动力反应加速度发生在坝体最大断面坝顶位置,最大竖向动位移约为坝高的0.3%;受右岸古河床和左岸陡边坡的影响,右岸的轴向和顺河向动力加速度放大倍数大于左岸,垂直向动力加速度放大倍数反之;古河床位置有一个明显的沉降区域。根据分析结果,复杂地形条件下高面板堆石坝的破坏形式主要有下游坝坡失稳破坏、面板拉裂和震陷超标等。最后提出可采取的抗震措施以供讨论。     

预制静压桩静动载现场试验分析

原位试验是获取桩基设计参数和了解桩基力学性能的最客观、最可靠方法。基于现有疲劳机和千斤顶等试验设备,研制了桩顶静载和动载组合加载装置,为现场静、动载试验解决了一个技术性难题。利用该装置对某工程混凝土预制静压桩进行了模拟交通荷载的现场静、动载试验。通过单桩竖向抗压静载试验和动载试验,分析了静动载对桩身轴力分布、桩身侧摩阻力和基桩沉降的影响及其变化规律。试验结果表明：在静动载作用下桩身侧摩阻力的分布规律基本一致,并且随着振动次数的增加,桩身上部侧摩阻力减小、下部略有增加,但动载循环超过30万次后,侧摩阻力趋于稳定。     

动荷载下砂土与EPS颗粒混合的轻质土变形特性的试验研究

砂土与EPS颗粒混合的轻质土（LSES）是一种通过减轻地基压力、提高地基承载力以处理不良地基的新型轻质土工材料。由于LSES主要用作路基填土,因此,其在动荷载下的变形特性值得关注。基于室内动三轴试验结果,讨论了围压、水泥掺量、EPS含量以及循环加载次数对LSES动变形特性的影响。当围压较低时,LSES会呈现出与EPS块体相似的线性动应力-应变关系;而在较高围压下,LSES的动应力-应变拟合曲线则为双曲线型。在给定的应变水平下,LSES的割线动弹性模量Esec随着围压和水泥掺量的增加而增加,随循环加载次数的增多而逐渐衰减,EPS含量增多时,Esec-εd曲线更趋于平缓。     

高能强夯下地基土体的变形特性

为了掌握高能级强夯作用下土体的变形特性,在LS-DYNA的框架内,采用非线性大变形显示有限元算法和“帽子”本构模型,计算了强夯作用下地基土体的变形。首先,根据现场施工的实际情况建立了有限元基本模型,并与实际的监测数据进行比较,其计算结果与测试结果基本一致,该模型能较好地反映出土体的隆起和侧向位移特点。其次,以该基本模型和夯坑的变形为考察对象进行参数分析,研究了不同能级、同能级不同动量以及夯锤与地基土间的水平摩擦力对土体变形的影响。结果表明,高能级强夯作用下夯锤与地基土间的水平力是不可忽略;夯锤与地基土之间的摩擦力,对夯坑侧向的土体位移和地表的隆起有明显的影响     

动静载组合下巷道过断层破碎带支护技术

晋煤集团长平矿5303回采巷道在掘进过程中遇到多个正断层,为了使回采巷道安全、快速地穿越断层,确定出合理的支护方法及范围。本文基于最大主应力准则和岩石断裂损伤学,分别从宏观和微观剖析了正断层破碎带在动静载组合下的破碎活化机理。在此基础上建立断层破碎带塑性破坏范围模型,结合正断层滑动机理与巷道支护理论,推导出断层扩展区和影响区范围表达式,并运用FLAC^3D数值模拟作进一步分析。研究结果表明：当动静载最大主应力之和大于岩石断裂应力时,岩石发生宏观断裂;动静载产生协同效应、变异效应及共同效应,使破碎带岩石内部微观上发生不同形式损伤断裂,损伤断裂程度取决于动静载之间夹角余弦值和正弦值。5303回采巷道过断层方案确定为采用超前预注浆改善围岩强度,而后采用加密锚杆、锚索+单体支柱加工字钢的联合支护方法。根据理论计算和数值模拟结果,最终确定超前预注浆范围与加强支护范围为断层破碎带前后各10 m。     

增湿高能级强夯法处理湿陷性黄土地基的研究

湿陷性黄土在浸水过程中结构弱化,湿陷变形发展很快,量也很大,强度大幅度降低,在湿陷性黄土地区进行工程建设时,必须进行地基处理。通过分析黄土湿陷性机理及其影响因素,提出了将增湿高能级强夯法应用于湿陷性黄土地基处理的方法,以增湿高能级强夯法加固黄土的机理为理论基础,将该法应用于实践工程,经试验检测,其加固效果较好,消除了黄土湿陷性的同时,还提高了黄土的强度。验证了该法是一种湿陷性黄土地区地基处理的较好的技术。     

动载作用下端锚锚固体力学响应特征研究

为研究动载作用下巷道围岩失稳破坏机制,基于SHPB试验系统,研究了不同冲击气压（0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 MPa）下预应力端锚锚固体的应力波传播规律及层裂破坏特征,采用图解法计算了锚固体试件的层裂强度及应变率,建立了锚固体层裂损伤模型并采用高速摄像机进行了验证。结果表明：不同冲击气压下试件应力波峰值应变均呈指数形式衰减,且空间衰减幅值及衰减指数与冲击气压呈正相关关系;锚固体试件层裂首先发生在自由端附近,沿反射波传播方向层裂厚度逐渐增加,0.3 MPa冲击气压以上,试件每两处层裂面中间产生一道新层裂;在18～33 s⁻¹应变率范围内,应变率率效应占主导地位,层裂强度最高达69 MPa,而应变率为41 s⁻¹时,层裂强度降低至17 MPa;锚固体自由端在动载冲击后出现层裂闭合现象,但在锚固端由于锚固界面残余黏聚力作用,层裂位置未发生闭合现象。     

超长PHC管桩桩顶沉降特性的动静对比分析

通过静载荷试验可直接测到桩顶的荷载-沉降（Q-s）曲线。由管桩内预先埋设的应变计的内力测试结果可计算出土阻力与桩-土相对位移的关系,并进一步做高应变测试和拟合分析,得出了高应变拟合的Q-s曲线。对Q-s曲线作动静结果对比分析,探讨了在深厚软土中的超长PHC管桩的桩顶沉降特性。结果表明,当荷载不大时,高应变拟合的沉降大于静载实测的沉降,但当荷载接近极限值时高应变的沉降小于静载的沉降。结果亦表明,当超长PHC管桩桩身穿过一定深度的好土层、桩端进入全风化或更好的岩层时,不管是静载试验还是高应变动力测试,都很难使土阻力得到充分发挥,此时静载实测的和高应变拟合的Q-s曲线都呈缓变型特征。     

动荷载作用下水泥土的疲劳寿命分析

采用荷载控制、非对称正弦波动荷载对水泥土进行疲劳载荷试验。在动荷载的作用下,水泥土表现为低应力性破裂特征。通过试验结果分析,提出水泥土应力空间的疲劳破坏准则,建立了水泥土3参数幂函数疲劳寿命模型。分析了影响水泥土疲劳寿命的主要因素,结果表明：动荷载应力水平越高,水泥土的疲劳寿命越短,反之越长;水泥土的龄期越长、水泥掺合比越大,水泥土的疲劳寿命越长。