膨胀性软岩洞室支护效应三维有限元分析

基于湿度应力场理论 ,采用三维非线性有限元方法 ,有效地模拟了膨胀岩洞室开挖和支护过程中遇水膨胀现象。对多种支护方案进行分析比较表明 ,水的损伤软化作用和膨胀岩的本身膨胀性能对其洞室稳定性有重要的影响 ,并进一步了解了洞室发生膨胀的力学机制及其支护效应 ,对膨胀性围岩洞室的设计、施工具有实际指导意义。     

全长黏结式锚杆沿程应力分布模拟方法

全长黏结式锚杆是地下洞室常用的一种围岩支护手段。研究全长黏结式锚杆沿程应力分布特性对于锚杆-围岩组合体的稳定性评价具有重要的作用。利用单元嵌入计算格式,建立锚杆-围岩组合体中锚杆的等效模拟方法。通过轴对称四边形单元模拟锚杆内部变形,据此推导该单元内力、切线刚度及锚杆模型固有内力、计算刚度,最终通过整体及局部坐标的变换建立锚杆模型附加内力及切线刚度的计算方法。锚杆的非线性特性主要由接触面失效、杆体屈服引起,该方法能够较方便地应用隐式有限元计算格式,对围岩及锚杆的非线性特性进行统一分析。该方法在反映锚杆对围岩支护效果的同时,能够较好地反映锚杆的沿程应力分布特性。     

隧道围岩全长黏结式锚杆界面力学模型研究

分析围岩弹塑性介质中全长黏结式锚杆的锚固界面层应力分布和变化特征,对研究隧道工程初期支护系统的力学效应具有重要意义。根据全长锚杆微段的受力平衡以及锚固界面层剪应力的传递机制建立了关于锚杆轴向位移的微分方程,通过求解锚杆轴向位移的微分方程可得到锚杆与围岩相互作用下的轴向载荷和锚固界面剪应力的分布函数。然后将锚杆界面剪应力对围岩的支护反力转化为圆形隧道轴对称径向体积力,进而求解有锚喷支护作用下圆形隧道围岩塑性区半径。在此解析模型基础上,可对隧道围岩-支护系统进行详细的分析和评判。算例分析表明,初期支护时机的选择对锚固效应和围岩稳定性有较大影响;适当增加全长黏结式锚杆的锚固层厚度能明显降低锚杆端部剪应力的应力集中度,能有效改善锚杆的锚固效果。     

土遗址全长黏结式锚固系统动力响应解析方法

以纵向宽大裂隙引起的夯土城墙遗址稳定问题为背景,建立危险土体?锚杆?稳定土体锚固系统简化力学模型。该模型将土体对锚杆的摩阻作用简化为一个线性弹簧和一个与速度相关的阻尼器的并联机构,将裂隙段锚杆对两侧土体的拉结作用简化为一个线性弹簧。基于弹性体动力理论建立锚固系统动力平衡方程,并推导了锚杆轴力和位移的动力响应解析解。最后,以新疆高昌故城南城墙某段锚固工程为例对提出的解析方法进行了说明,明确了锚杆轴力响应特征及其分布规律,并通过数值分析对其合理性进行了验证。结果表明：在动力作用下同一位置锚杆的轴力响应呈围绕静力平衡位置的波动形态,轴力峰值点位于裂隙附近,且逐渐向临空端和锚固端指数衰减。在考虑地震加速度沿遗址高度的放大效应后能够获得较精确的锚杆轴力响应。     

全长粘结式预应力锚索锈胀开裂时服务年限研究

将全长粘结式预应力锚索注浆体受到的环向应力,考虑为预应力引起的注浆体环向拉应力和锚索体对注浆体的锈胀力共同作用,推导出锚索体均匀锈蚀导致注浆体开裂时的极限增长量计算公式。在前人研究成果基础上,得出了水利水电工程高边坡的预应力锚索开裂时服务年限的估算表达式。最后,结合2 000 kN预应力锚索,探讨了与服务年限相关的4个影响因素及其相对重要性：预应力对服务年限最不敏感,随着预应力的增加,服务年限逐渐减小,曲线呈线性函数关系;锚索体直径要相对敏感得多,随着锚索体直径的增加,服务年限逐渐增加,曲线的斜率逐渐稍微变陡;然后是握裹层厚度,随着握裹层厚度的增加,服务年限也逐渐增加,曲线的斜率逐渐稍微变陡;最敏感的是注浆体抗压强度,随着抗压强度的增加,服务年限逐渐增加,曲线的斜率也逐渐稍微变陡。     

软岩洞室最优支护的广义SMP准则解与对比研究

现有洞室最优支护设计均基于Mohr-Coulomb（简称M-C）准则,不能真实反映岩石强度的中间主应力效应以及围岩的三向不等应力状态。基于广义SMP准则和稳定蠕变J3准则,考虑中间主应力对岩石强度的提高作用,建立了软岩洞室最优支护力与围岩允许最大位移的理论解答。洞室最优支护解答对M-C准则、外接圆Drucker-Prager（简称D-P）准则均具有很好的拓展性,且工程实例验证了其正确性。研究结果表明：3种强度准则结果间的差异实际反映的是对中间主应力效应的不同考虑,M-C准则和外接圆D-P准则对应的结果是两个极端情况,推荐选用广义SMP准则解答;岩石长期强度是洞室最优支护设计的关键参数,围岩凝聚力与内摩擦角的影响亦很显著,应合理测定岩石的强度参数并充分考虑变异性。     

全长黏结锚杆的数值流形方法模型

基于流形方法的有限覆盖技术,确定流形元覆盖系统下锚杆的位移函数,由此建立全长粘结锚杆的数值流形方法模型,定义了锚杆流形单元,并推导了锚杆流形单元的数值计算格式。该模型符合全粘结的物理意义,是一种局部解析的锚杆数值方法,具有较高的精度。同时锚杆与数学覆盖相对独立,只要求锚杆完全处于数学网格的覆盖之中,对其相对位置没有要求,所以一般网格可以适应锚杆的复杂布置。该模型可以应用于岩土锚杆模拟及钢筋与混凝土共同作用分析等问题。     

全长黏结型预应力锚杆受力特性研究

全长黏结性预应力锚杆是一种结构和锚固机制新颖的全长锚固锚杆,已有的研究缺少锚杆孔壁形态对锚杆承载能力影响的分析。锚杆孔壁结构面起伏形态具有自仿射分形特征,详细分析了结构面抗剪强度、注液压力、张拉荷载与结构面分形维数D之间的关系,建立了各自计算与分析方法,得出施加的注液压力应小于锚固围岩体的抗压强度,以及随着维数D增加,张拉荷载亦相应增加,确定了锚固承载层与岩体结构面失稳判断的准则。探讨了全长黏结性预应力锚杆锚固性能。研究为其设计、试验和应用提供了一定的理论依据。     

大型地下洞室全长黏结式岩石锚杆锚固机制研究及锚固效应分析

以大型地下洞室为背景,采用隐式锚杆柱单元模拟黏结式岩石锚杆,推导了杆体对围岩模型的附加刚度贡献模型。根据中性点理论,假定锚固体界面的剪切滑移模型,导出了锚杆与围岩相互作用下的荷载传递基本微分方程。基于三维弹塑性有限元增量法计算的围岩离散位移,采用插值拟合获得造成锚杆变形的围岩连续位移,通过求解微分方程得到锚固体界面剪应力和轴向力分布函数。将获得的锚固体剪应力采用等效附加应力模型作用于岩体,反映了锚杆的支护效应。实例分析表明,锚杆新算法能较好地模拟锚杆支护效果。获得的锚固体受力分布特征符合中性点理论,锚固体界面剪应力分为正、负两段,锚固体轴向力分布为单峰曲线。此外,新方法的计算值与实测值较为接近。     

全长粘结式锚杆加固洞室抗爆性能试验研究

通过模型试验, 研究了在平面装药爆炸应力波的作用下,全长粘结式锚杆加固洞室抗爆性能。试验结果表明,通过分析自由场压力-时程曲线,证明试验数据可靠;经过加固的洞室拱顶位移峰值减少明显,当比例距离为5.23 cm/g1/2时,洞室发生破坏;在平面波的作用下,两个洞室洞壁各个位置都产生压应变,最大应变出现在拱脚处,随着比例距离减小,拱顶应变峰值先增加后减小,最大应变峰值越来越大;拱顶是加速度振动最激烈的地方,经过加固可以降低拱顶加速度,但效果不明显,在变形不大时底板加速度增加较大,必要时应该采取减震措施,经过加固洞室侧墙加速度普遍有不同程度减小,并且破坏越严重效果越明显,随着比例距离减小,拱顶和侧墙加速度越来越大,尤其当比例距离为5.23 cm/g1/2时,加速度急剧上升。     

压力分散型锚索与拉力集中型锚索抗振性能研究

京石客运专线石家庄明挖隧道工程与既有京广铁路线近距离并行长达5 km,为了摸清列车动载对桩锚支护结构的影响,以及不同锚固形式对动载的响应特点,特在该隧道设立压力分散型锚索试验段,与现场普遍采用的拉力集中型锚索锚固段相对照,进行长期应力、应变量测。在此基础上,对实测数据进行了系统的整理和分析,对比了压力分散型锚索与拉力集中型锚索在应对动载方面的不同特性。研究表明,压力分散型锚索的抗振性能是拉力集中型锚索的5倍,而且具有应力调整时间短、长期抗振性能稳定,预应力损失幅度小、比例低的优点。     

自适应锚索锚固岩质边坡地震动力响应分析

强震作用下常规锚索往往会因材料变形能力不足导致应力过载而被拉断,一旦锚索失效将直接危及整个锚固结构的安全。为研究自适应锚索的动力响应规律以及在自适应锚索支护下锚固边坡的动力特性,以新型抗震锚索为原型,设计自适应锚索锚固岩质边坡试验模型,并利用振动台试验系统对试验模型进行加载。试验中采用正弦波、天津波、EI波以及Taft波等4种地震波进行研究,监测锚索的应变和边坡动力响应。结果表明：锚索的轴力和地震波幅值、类型、地震激励频率等因素密切相关;锚固边坡坡面加速度及位移沿边坡高程均有不同程度的放大,相对于无锚索支护边坡,锚固边坡坡面加速度和位移峰值均有减小;自适应锚索随着预设滑移恒阻力的不同,锚索会产生不滑移、瞬间滑移、逐步滑移3种工况,对应的锚索应变时程曲线和锚固边坡动力安全系数时程具有显著不同的特征;自适应锚索滑移工况下,滑体的安全系数虽然有局部减小的阶段,但是锚固结构的安全储备较大,可适应边坡大变形和瞬态冲击荷载的作用。试验结果可为强震区路堑边坡的支护和自适应锚索抗震设计提供一定参考。     

预应力锚索锚固段荷载传递解析算法

锚固是岩体工程增稳的主要措施,对充分发挥岩体的自承潜力,调节和提高岩体自身强度和自稳能力有着十分重要的作用。由于锚固工程本身的复杂性和多样性,导致目前锚固机制、设计理论以及计算方法都不够完善。现有的锚固段荷载传递解析解存在两大难题,一是没有反映锚固段应力变化过程,随着荷载不断加大,接触面是逐渐被破坏,剪应力的峰值将由端口逐渐向内转移;二是在端口处是一个应力奇异点,难以很好地解决。通过对当前多种锚固段荷载传递解析解的适用性及局限性进行分析归纳,指出应将锚固段应力分布划分为弹性、塑性和破坏3个阶段,在不同的阶段应力分布形式不一样,不能一概而论。在此基础上,基于传递系数,针对沿锚固段剪应力呈非均匀性分布形式,提出了一种能反映这3个阶段变化规律的荷载传递解析公式,获得了锚固段剪应力和轴力的分布规律和影响因素。对各解析解方法求出的临界锚固长度进行了算例对比,证实所提算法是合理和有效的。该算法适用于预应力锚索锚固段工程设计。     

锚索与锚杆联合锚固支护岩坡的有限元分析

针对广东某高速公路74 m高的7级挖方边坡,采用三维弹塑性有限元数值计算方法分析山区路堑开挖岩质边坡的锚固支护的受力情况。分别计算了坡体无锚和3种不同的锚固方案。通过坡体无锚方案的计算确定坡体的滑动面并为锚固方案的设计提供依据。3种锚固方案中的预应力锚索和锚杆按不同方式进行了组合。所建立的锚固坡体三维有限元分析模型对锚固坡体进行了合理简化并节约了计算量。计算中锚索的预应力采用预先施加应变的方式施加。计算分析表明,边坡加锚后可显著减少边坡塑性区。实际工程中采用预应力锚索和锚杆交错布设方案进行边坡锚固支护可较好地达到安全与经济并重的边坡处治原则。现场监测结果表明,锚固边坡有限元分析合理可行。     

预应力锚索预应力损失研究

分析了岩土锚索预应力损失的主要因素,建立了锚索预应力损失随时间变化模型,在此基础上,较精确地推算了锚索预应力损失情况及最终损失量,并为锚索预应力计算提供理论依据。通过对襄-十高速公路锚索预应力模拟计算,较好地印证了锚索预应力损失模型的合理性。     

岩质边坡楔形体锚索加固方向角三维优化设计

以岩质边坡中常见的楔形体滑动为研究对象,研究其最优锚固方向角的计算方法。将锚索自由段单位长度能提供的最大抗滑增量作为目标控制变量,将坡面和两组滑动面的特征参数与锚索设计参数作为优化控制自变量,通过坐标系转换建立线性方程组对锚索的预拉力进行分解,得到用于锚固方向角三维优化的新计算方程。在该方程的基础上,借助导数法和Matlab软件中的fmincon函数分别对锚索加固方向与坡面走向垂直的二维优化方式和锚索加固方向不受限制时的三维优化方式下的锚固方向角进行了优化。最后通过算例与工程实例分析相结合,证明了推荐的最优锚固方向角计算方法的有效性与先进性。新方法可进一步提高锚索的锚固效益,减少锚索的总用量,降低边坡的支护费用。     

顺层岩质边坡预应力锚索抗震加固机制研究

将顺层岩质边坡的层面考虑为弱面,将其等效为等间距共线多节理的力学模型。预应力锚索加固边坡的锚固模型等效为平面有限宽度岩体节理问题。并将初始应力和地震荷载引起的附加动应力视为远场作用,锚固边坡的受力问题视为远场作用效果和节理面集中力作用效果的叠加。根据叠加原理计算地震荷载作用下裂纹端部应力强度因子,发现位于裂纹端部的预应力锚索能大幅度降低I型裂纹的应力强度因子。以应力强度因子作为岩体的压剪破坏判据解释顺层岩质边坡预应力锚索的抗震加固机制,能很好地解释汶川地震边坡破坏特点。     

岩盐溶腔顶板稳定性突变理论分析

采用固支大变形圆板突变模型研究了单井溶腔顶板的稳定性,得出了溶腔顶板岩层失稳的必要条件;并考虑了自重侧压力及水平构造应力的综合作用,用平直梁尖点突变模型研究了连通井顶板的失稳突跳,得出了连通井顶板失稳的充要条件。为溶腔稳定性控制和溶腔用于战略石油和天然气的储备打下理论基础。     

预应力锚索锚固作用机理的数值模拟研究

在探讨预应力锚索现场足尺试验实施难点的基础上,利用FLAC3D对预应力锚固体的应力、位移特点,不同的锚索刚度、岩土体弹性模量以及预应力大小对锚固体剪应力的分布规律的影响、塑性破坏区的转移趋势进行了数值模拟,拟合了剪应力呈指数函数关系的分布公式。在剪应力峰值不断向锚固端扩展的推断下,提出了注浆体接触面处的锚索极限锚固力的计算公式,具有一定的理论和实践意义。     

井喷失控条件下盐岩储库稳定性分析

井喷压力失控是盐岩储气库运营的极端情况。根据一维绝热管流理论解析得到井喷情形下储库卸压规律。在此基础上结合金坛盐矿工程地质条件,模拟对比分析了不同初始内压失控工况下盐岩储库应力状态、变形收敛特征和损伤破坏规律。结果表明,溶腔硬夹层总是先于盐岩体而屈服形成明显的屈服带,失控卸压阶段塑性区逐渐扩展布满整个腔体并向径向延伸6～8 m;运营压力范围内初始内压越低,储库卸压收敛越大,7 MPa下储库体积损失达5.02%;卸压阶段溶腔内壁围岩应变速率跃升至10-2 s-1数量级,属于准静态范畴。研究认为,井喷失控状态下失控初始内压是维持储库腔体稳定性的关键因素,在极端灾害环境中应确保盐岩储库处于较高的运营压力之下