基于能量耗散与释放的充填体失稳尖点突变预警模型

在充填体失稳预警研究中,以声发射前兆特征作为材料失稳预警标志已得到众多学者的一致肯定。然而,声发射前兆特征具有多种形式,这对充填体的失稳预警有一定的影响。基于此,建立了一种形式固定的充填体失稳预警模型。首先,以能量演化特征为切入点,基于尖点突变理论构建了充填体失稳预警模型,随后针对不同灰砂比充填体开展单轴压缩声发射验证试验。试验结果表明,耗散能突变与可释放弹性应变能突变所构成的区间可描述充填体的预警状态,将其定义为预警区间。不同灰砂比充填体预警区间唯一,模型具有较好的灵活性及普适性。以振铃计数率等认可度高的声发射特征参数的前兆特征对得出的预警区间的合理性进行验证,验证结果表明,根据模型求出的预警区间与声发射参数的前兆特征所处时间高度一致,进一步验证了该方法的合理性及普适性,可为充填体的失稳预警研究提供一种新的思路。     

缓倾角塔柱状危岩压裂损伤-突变失稳预测

陡高边坡灰岩地区缓倾角塔柱状危岩常具有底部压裂诱发整体失稳破坏模式,其损伤-突变失稳机制属于山地灾害关键科学问题之一。以重庆南川区甑子岩W12#危岩崩塌为例,建立了荷载、水致弱化效应耦合下的损伤突变地质力学模型,获得了基于应变等价原理的损伤本构方程及总损伤度演化方程,并将水致弱化函数改进为软化系数的一元三次函数。将地质力学模型概化为等效弹簧模型,通过能量平衡原理建立损伤-折叠突变模型,获得了塔柱状危岩系统压裂失稳判据及临界突变位移特征值表达式。计算表明：W12#危岩压裂失稳时,该系统的控制变量为–0.003 251,小于0,表示该系统进入不稳定状态;计算理论突变位移起始值148.70 mm比实测位移第一拐点值154.34 mm偏小,相对误差约3.65%,偏于安全;理论损伤本构曲线、理论损伤演化曲线与现有文献数值模拟结果趋于一致,所构建的理论预测模型具有较好的适用性。其研究成果可用于预判塔柱状危岩压裂失稳损伤演化过程及突发失稳特征位移值,为灰岩区陡高边坡危岩崩塌监测预警和防灾减灾提供理论依据。     

基于进化神经网络的冲击地压非线性动力系统建模

冲击地压是一种危害很大的矿山灾害之一。理论研究表明,冲击地压实质为一种矿山岩体的动力现象,是矿山开采带来的一种动力学灾害。考虑到冲击地压的动力学特点,采用基于免疫进化规划的进化神经网络,进行了冲击地压非线性系统的建模研究。并采用一个矿山实测得到的震级数列,进行了进化神经网络方法的实用性验证,结果表明,进化神经网络,不但模型拟合精度高,而且,其预测性能也较好,是一种进行冲击地压非线性系统建模的较好方法。     

爆破振动下围岩支护锚杆动力响应解析解

为了研究爆破掘进施工对巷道支护锚杆的影响,采用结构动力学理论,从理论上推导出了锚杆在爆破地震波作用下的振动规律,计算出锚杆上的位移、振速、轴力随时间的变化,研究了黏结式锚杆在爆破动荷载作用下的动力响应特征。结果表明：自由段锚杆的轴力和轴向振速呈现指数型衰减,而锚固段锚杆的轴力和轴向振速以及剪应力呈现正弦变化,整体表现为先增大后减小。锚固长度对锚杆振动效应影响较大,不同锚固长度时锚杆受力状态不同,在锚杆满足抗拉强度的前提下,可以适当减小锚固段长度。剪切刚度对锚杆的振动有一定的影响,剪切刚度越大,锚杆与锚固砂浆之间的剪应力也越大。故为了防止锚杆不发生剪切破坏,尽量选择剪切刚度较小的锚固剂材料。研究成果对掘进爆破安全技术的提高具有一定的指导意义。     

基于岩石统一能量屈服准则的硬岩损伤模型

为了更准确、便捷地确定深埋地下工程中硬岩的力学行为,开展了如下研究：根据损伤与塑性演化存在相似机制,假设损伤阈值与初始屈服采用相同的确定方法,将岩石统一能量屈服准则作为损伤阈值的判定准则;基于Rabotnov对损伤变量的定义和Lemaitre应变等效性假设,并考虑未损伤部分的应力-应变关系符合广义虎克定律,提出了简化形式的硬岩损伤本构方程;为了更好地表达硬岩从低围压到高围压条件下的脆-延转化特性,提出了改进的Mazars损伤演化方程;基于锦屏T2b大理岩常规三轴压缩试验结果,对损伤模型参数进行求解,并分别与基于Mazars损伤演化方程和Mohr-Coulomb准则为损伤阈值判定准则的损伤模型进行对比,结果表明：提出的损伤模型可更好地表达硬岩从低围压的脆性到高围压的延性转变过程,特别是对损伤阈值后岩石的损伤演化过程的模拟更为精确,对硬脆性岩石的工程计算有一定的借鉴意义。     

分级循环荷载下岩石动力学行为试验研究

利用WDT-1500多功能材料试验机,对砂岩、砾岩和砂砾岩进行了分级循环荷载试验,研究了岩石的动弹性模量对应力幅值和应力水平的响应特性,得到了动弹性模量和耗散能随应力幅值、应力水平及含水率的变化规律。试验结果表明,分级循环荷载下岩石的能量耗散越多,动弹性模量越小;应力水平越高,动弹性模量和耗散能越大;含水率和应力幅值越大,动弹性模量越小,耗散能越大。讨论了邓肯-张模型能够描述分级循环荷载作用下岩石的应力-应变关系,构建了动弹性模量随应力水平、应力幅值及含水率变化的演化模型,探讨了模型参数的确定方法。根据能量耗散的经验法则,建立了耗散能演化模型,结果表明,该模型能够描述分级循环荷载过程中能量耗散行为。     

狭窄煤柱冲击地压的折迭突变模型

对简化的狭窄煤柱岩爆分析模型,通过功、能增量平衡关系的途径,导出狭窄煤柱岩爆的突变模式属折迭突变模型。该突变模型的平衡方程和平衡路径所展示的全部性态, 可对煤柱以岩爆形式破坏和渐进形式破坏过程中,包括系统稳定性在内的所有行为,作一一相对应的描述。并首次给出的岩梁弹性能变化（释放）率曲线包含了丰富的信息量,对理解岩梁-煤柱系统在各阶段的行为规律有着重要的作用。所给出的能量输入率 ,是系统失稳临界条件的提法和表达式中蕴涵了Cook刚度判据,故看作是Cook判据能量形式的动态推广。利用能量输入率可将极限状态下岩煤系统稳定性的定性认识提高到用定量形式描述,为岩煤系统稳定性的表述赋予新的形式。     

高速远程滑坡超前冲击气浪三维动力学分析

为研究沟谷多级折射高速远程滑坡超前冲击气浪的特征,以牛圈沟滑坡三维地形形态为原型,采用CFD软件,引入Voellmy准则定义运动阻力,在反演碎屑流运动全过程的同时,对其冲击气浪的流场特征进行了数值模拟,分析其形成的动力学机制。结果表明：(1) 牛圈沟滑坡从启动到停止历时为119 s,最大速度出现在滑体内部靠近前缘处,峰值分别为14 s的52 m/s、27 s的55 m/s和50 s的49 m/s。(2) 气浪速度的最大值50 s时为38 m/s,其压强的最大值达657 Pa,相当于11级暴风。(3) 当碎屑流前方出现高大的障壁时,来不及扩散的高压气流产生极为明显的压强梯度;当其前方遇跌坎或翻越山脊冲向山坡下方在其速度瞬间增大的同时,强烈压缩前方空气并导致其压强值局部出现陡增。     

考虑岩体扩容和塑性软化的软岩巷道变形解析

考虑岩体的扩容和塑性软化特性,引进扩容梯度和软化模量的概念,推导出均匀介质中软岩巷道应力和变形的理论解答。与其他理论模型进行比较,验证了理论模型的正确性。通过算例分析了岩体的扩容梯度和软化模量对围岩塑性区、破裂区半径以及围岩变形和压力的影响。分析结果表明,考虑岩体的扩容和塑性软化特性使得分析更加准确,研究成果对软岩巷道支护设计与施工具有一定指导意义。     

红层软岩软化的界面过程及其动力学模型

红层软岩灾变和界面上的水-岩相互作用密切相关,研究界面过程对于揭示其灾变机制具有重要的意义。目前针对红层软岩软化的研究主要是宏观唯象特征的研究,红层软岩软化界面过程的研究处于探索和起步阶段,仍需要进一步地完善。针对这一问题,通过分析红层软岩软化界面过程的特征,水-岩界面上的软岩颗粒不断溶解,水在软岩中扩散,形成新的水-岩界面,基于此建立软岩系统标准熵对软岩软化进行表征,发现软岩系统标准熵值随着时间的变化规律与软岩软化崩解具有一致性;同时,利用菲克扩散定律构建软岩软化界面过程的动力学模型,很好地描述水-岩界面的生成规律;最后在红层软岩的DEM-CFD（离散元-计算流体力学耦合）模型中,软岩软化过程颗粒连接断裂代表水-岩界面的生成,对比界面过程动力学模型,取得较好的拟合结果。该研究结果对软岩软化界面过程的探索具有一定的意义。     

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