P波对大体积混凝土裂缝的扩展作用研究

根据断裂动力学理论及弹性P波与裂缝相互作用的分析,利用混凝土的动态断裂韧度,研究了大体积混凝土深层或贯穿裂缝在爆炸应力波P波作用下的扩展,得到了含裂缝混凝土的安全质点振动速度,并讨论了P波频率及其入射角对安全质点振动速度的影响。结果表明,频率越低、入射角越大的应力波对混凝土裂缝的扩展作用越大,频率为10 Hz垂直入射条件下,混凝土裂缝不扩展的安全质点振动速度仅为0.95 cm/s,与水利水电工程施工组织设计手册中规定的混凝土重力坝、混凝土闸墩等大体积混凝土结构的安全振速5 cm/s有较大差距,含裂缝混凝土更加容易被破坏。     

地下圆形衬砌隧道对沿线地震动的影响(Ⅰ):级数解

利用波函数展开法，给出了地下圆形衬砌隧道对入射平面P波和SV波散射问题的一个级数解答，当衬砌与半空间介质相同时，该解答退化为文献中的无衬砌隧道的解答。级数解答为进一步定量研究隧道对入射平面P波和SV波的放大作用以及入射波长、入射角度、隧道直径和衬砌刚度等参数对隧道沿线地震动的影响奠定了理论基础。     

爆破振动作用下城门洞形衬砌的临界振速研究

根据应力波理论,采用复变函数方法,对爆破振动作用下城门洞形衬砌的应力和振速分布进行了研究,进而求解了入射波入射角度不同时衬砌的临界振速。首先将城门洞形衬砌映射为一个内径为1,外径大于1的圆环,再求解稳态P波作用下圆环的动态响应;计算结果表明：入射波的入射方向对于城门洞形衬砌的临界振速有较大的影响,入射角度为90?时,衬砌的临界振速最大,入射角为0?时次之,入射角为270?时最小。     

地下圆形衬砌隧道对沿线地震动的影响(I):级数解

利用波函数展开法,给出了地下圆形衬砌隧道对入射平面P波和SV波散射问题的一个级数解答,当衬砌与半空间介质相同时,该解答退化为文献中的无衬砌隧道的解答。级数解答为进一步定量研究隧道对入射平面P波和SV波的放大作用以及入射波长、入射角度、隧道直径和衬砌刚度等参数对隧道沿线地震动的影响奠定了理论基础。     

高面板坝地震动非一致输入响应规律

在多点输入方法和等价黏弹性模型的基础上,采用半解析的波函数组合法实现了面板堆石坝在非一致输入下的动力计算。从频域散射角度对计算方法的合理性进行了验证。对比了非一致输入与一致输入下高面板堆石坝的动力响应,发现在采用基岩自由表面点的振动过程相同的对比标准下,非一致输入的整体动力响应较小;在面板坝防渗系统相对薄弱的止水结构附近,非一致输入的动拉应力最大值比一致输入的结果更大;非一致输入下大坝动力响应值的分布相比一致性输入呈现出中间小、周边大的特性。并基于波动理论进一步分析了不同种类地震波入射角度对高面板堆石坝动力响应的影响,揭示了P波、SV波和SH波入射下高面板堆石坝动力响应规律：随着入射角的增大,SH波入射时,高面板坝动力响应强度基本不变; SV波入射时,存在一个临界角,当入射角在临界角左右时高面板坝动力响应强度急剧增大和减小,之前基本不变,之后一直减小;P波入射时,存在一个特征角度,在入射角小于特征角度时高面板坝动力响应强度基本不变,大于特征角度时高面板坝动力响应强度减小。     

初始地应力对隧洞开挖爆生裂隙区的影响研究

隧洞开挖过程中控制爆炸对岩体的损伤,减小爆破裂隙范围,对保证工程安全具有重要意义。基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机制的研究,采用摩尔-库仑准则及最大拉应力准则,研究了初始地应力对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明,初始地应力对爆生裂隙范围有显著影响。在压剪破坏模式下,爆生裂隙区比例半径随地应力的增大而减小,地应力侧压系数影响爆生裂隙区比例半径在洞壁圆周的分布。考虑围岩应力卸荷影响后,沿隧洞径向的爆生裂隙区比例半径比不考虑卸荷的小。拉伸破坏导致的岩体爆生裂隙区比例半径一般比压剪破坏模式下爆生裂隙比例小,爆炸应力波作用下隧洞围岩更容易沿结构弱面发生压剪破坏。     

岩体夹层应力波能量演化及应力响应特征分析

夹层是常见的地质结构,在地震或爆破荷载作用下,夹层对应力波的传播以及对岩体的响应具有重要的影响。以往对应力波在夹层介质中传播的研究多集中于夹层对应力波的隔振或透射性能,而对应力波在夹层中的多次折、反射过程中能量的演化规律缺乏讨论,对夹层介质的应力响应与破坏没有开展较好地分析。通过理论方法对应力波在夹层内部传播过程中的能量系数的变化规律进行了研究,分析了岩体介质波阻抗和应力波入射角对夹层内外介质中累积波动能量系数的影响规律,以及平面型边坡中软弱夹层的应力响应特征和动态稳定性。研究发现,应力波在夹层内部往复反射过程中,夹层内剩余应力波能量随折、反射发生次数呈指数曲线下降,第4次折、反射后产生的应力波能量可以忽略;夹层内外介质中应力波的累积能量系数的差异随着夹层内外介质波阻抗的相对差异的增大而增大。在平面谐波入射下,边坡内部的夹层中的剪应力和抗剪强度呈波动变化;相对P波,SV波入射会产生较高水平的剪应力,对边坡稳定性影响最大。且SV波入射时,边坡的安全系数对夹层的倾角变化更为敏感,随倾角增大而迅速降低。     

岩石拉伸剪切破裂试验研究

岩石拉伸剪切破裂是一类特殊应力状态条件下的破裂形式,属于同时受垂直于破裂面的法向拉应力和平行于破裂面的剪应力作用的复合破裂模式。在研制的DSC-800电液伺服测控岩石拉伸剪切试验仪的基础上,进行了大量花岗闪长岩和砂岩的拉伸剪切试验,开展了配套的破裂断口三维激光扫描、扫描电子显微镜（SEM）、岩石物理力学性质试验、颗粒流离散元（PFC）数值模拟等相关试验,利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征,研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响,采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程。研究结论如下:（1）岩石拉剪破裂面的宏观与微观分形维数即粗糙度随着拉应力的增加而增大;（2）岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合。当拉应力较小时,岩石的微观断裂形式主要表现为剪切破坏,并且随着拉应力的增加,岩石的拉伸破坏形式表现得更加明显;（3）岩石在拉伸剪切区的破裂拉应力与剪应力成线性负相关关系,在拉伸剪切应力区的岩石破裂线斜率比压缩剪切区大,岩石在拉伸剪切应力条件下比压缩剪切应力条件下容易破裂;（4）在岩石拉伸剪切条件下,剪切速率与剪切强度成非线性反相关关系,随着剪切速率的增加,岩石拉剪破裂面粗糙度增加;（5）建立了岩石拉伸剪切PFC数值试验模型,模拟了岩石拉伸剪切破裂过程中的力链演化以及剪切速率对拉剪破裂面粗糙度的影响,获得了与实验室试验一致的结果。     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。     

爆炸地震波作用下盾构隧道动力响应分析

盾构隧道衬砌由于各种类型接头的存在而与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将盾构隧道衬砌结构看作由弹塑性铰链连接的刚性管片组成,考虑围岩介质的黏弹性,提出了爆炸地震波作用下盾构隧道动力分析的简化计算方法。采用该方法对南京地铁盾构段典型横断面进行了动力分析,研究了爆炸地震波入射角度、围岩介质特性及管片厚度对结构受力与变形的影响规律。分析结果表明:波入射角度对盾构隧道有很大影响,斜入射时结构的动力响应要大于垂直入射时结构的动力响应;围岩介质等级越高,围岩对隧道结构的约束越强,隧道的抗爆性能越好;管片厚度的增大会增大结构的内力,合理设置管片厚度有利于提高盾构隧道抗爆性能。     

直墙半圆拱巷道爆破震动数值分析

为利于判断巷道围岩在爆破荷载作用下的稳定性及巷道内壁混凝土衬砌的安全,采用ANSYS/LS-DYNA分析了巷道钻爆法掘进爆破荷载作用下震动区岩体的动力响应。结果表明,近区岩体内部爆破压力、单元有效应力、质点振动速度随爆心距的衰减规律基本符合萨道夫斯基经验公式,单元有效应力与质点振动速度的衰减规律具有很强的相关性;巷道围岩临空面上的质点振动速度以沿巷道方向的振动速度为主,巷道横截面内垂直临空面方向次之,横截面内沿临空面方向为最小。巷道同一横截面处各质点的振动波形基本相同,拱顶的振动速度峰值比帮部的要大10%左右,拱与帮的连接处振动速度峰值较小。巷道围岩沿巷道方向临空面上质点振动速度衰减规律也基本符合萨道夫斯基公式,以上分析结果对采用钻爆法进行岩巷施工时,控制近区震动区爆破荷载对结构的影响具有一定的指导作用。     

Dynamic Analysis of Tunnel in Soil Subjected to Internal Blast Loading

The present work deals with the three-dimensional nonlinear finite element (FE) analyses of the tunnel in soil subjected to internal blast loading. The analyses are performed using the coupled Eulerian–Lagrangian analysis tool in FE software Abaqus/Explicit. The soil and reinforced concrete lining are modeled using the Lagrangian elements. The explosive Trinitrotoluene (TNT) is modeled using the Eulerian elements. The stress–strain response of soil, concrete, and reinforcement are simulated using strain rate dependent Drucker–Prager plasticity, concrete damaged plasticity and Johnson–Cook (J–C) plasticity models, respectively. The pressure–volume relationship of the TNT explosive is simulated using the Jones-Wilkins-Lee equation of state. Parametric sensitivity studies have been performed for different (1) tunnel lining thicknesses, (2) explosive charge weights and (3) angles of internal friction of soil. It is observed from the results that blast induced pressure on the tunnel lining increases with the increase in charge weight. Both the lining and the surrounding soil undergo significant deformation. The deformation of the tunnel lining increases with increasing charge weight and decreases with increasing lining thickness and increasing the angle of internal friction of soil. Blast-induced velocity in soil attenuates with increasing distance from the source of the blast.     

应力波斜入射对岩体节理端部的影响

岩体节理在受到应力波扰动时端部受力会发生不同程度的连续性变化,为具体分析这种动态变化与应力波入射角度之间的关系,引用岩石非线性法向本构关系与线性切向本构关系的组合模型以及相应的在P波斜入射节理的应力波传播方程,结合岩石断裂力学中Ⅰ、Ⅱ型裂纹尖端应力和位移场的相关理论,得出组合形式下的节理端部应力场和位移场随质点振速变化的计算公式。通过不同入射角的模拟脉冲信号作用对端部应力位移的变化分析：应力波斜入射节理导致节理端部上、下两侧应力与位移场非对称分布,随着入射波质点振速的增减变化,应力集中位置会出现变化;计算并整理模型中节理端部上、下两侧0.005 m位置的数据,节理法向刚度由入射波质点振速带来的变化直接影响到应力波的透射与反射,进而会导致端部的应力与位移出现滞后效应;节理端部横向位移值与入射角度并非单调变化,而竖向位移会随着入射角的增大呈现下降趋势。     

Coupled damage and plasticity modelling in transient dynamic analysis of concrete

In a concrete structure subjected to an explosion, for example a concrete slab, the material is subjected to various states of stress which lead to many modes of rupture. Closer to the explosive, a state of strong hydrostatic compression is observed. This state of stress produces an irreversible compaction of the material. Away from the zone of explosion, confinement decreases and the material undergoes compression with a state of stress, which is slightly triaxial. Finally, the compression wave can be reflected on a free surface and becomes a tensile wave, which by interaction with the compression wave, produces scabbing. We present, in this paper, a model aimed at describing these three failure modes. It is based on visco‐plasticity and rate dependent damage in which a homogenization method is used in order to include the variation of the material porosity due to compaction. The model predictions are compared with several experiments performed on the same concrete. Computations of split Hopkinson tests on confined concrete, a tensile test with scabbing, and an explosion on a concrete slab are presented. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

抛石基床爆夯振动效应监测与分析

根据对广西钦州港二期码头爆夯监测,分析了爆夯产生的振动速度和冲击波超压变化规律。结果表明,实测质点振动速度衰减规律与规范提供的经验公式基本相同;由于自由面反射的稀疏波作用,实测冲击波超压值远小于经验公式提供的结果;分析结果还表明,由于冲击波的脉动作用,即使在一次起爆（不分段）情况下,振动速度和冲击波超压波形也会产生多次振动现象,其振动强度越来越小;另外,由于稀疏波作用,在相同的爆炸条件下,测点入水深度越大,其冲击波超压值越高;测点入水深度越小,冲击波超压值越低。该分析结果可为类似工程提供借鉴。     

高地温隧洞支护结构受力特性

高地温问题严重制约了地下工程的施工和安全运营,结合新疆某水电站引水洞存在的高岩温问题展开研究。根据地质资料设置了6种地温边界,研究隧洞围岩及支护结构在开挖、施做喷层、施做衬砌和过水等工况下的受力及变形特性,并与不考虑温度场时的分析结果进行了对比分析。研究表明:高温对隧洞稳定性有显著的影响,高温下锚杆轴力约为不考虑温度场时的294倍,衬砌环向拉应力约为不考虑温度影响时的2.13倍;保温层作用显著,若不考虑保温层的影响,锚杆轴力和衬砌拉应力会更大;过水对衬砌受力影响较大,过水后衬砌环向拉应力迅速增大为过水前的2.65倍。研究结果为类似工程的设计与施工提供借鉴。      

Propagation Characteristics of Blasting Stress Waves in Layered and Jointed Rock Caverns

The existence of joint fissures makes explosive actions between rock masses more complex. Therefore, it is of great significance to carry out experiments studying blasting stress waves propagating in jointed rock masses. Based on the Froude Similarity principle, the geological mechanical models of intact rock masses and jointed rocks have been proposed. A blasting vibration experiment was carried out and demonstrated that the propagation of the blasting stress waves and changing structures have an important relationship. A numerical simulation of the blasting stress wave propagation law in a layered jointed rock mass was carried out. This study found that with an increase in the joint angle, the peak velocity of blasting stress wave, transmission coefficient and reflection coefficient all gradually increased, while the attenuation coefficient gradually decreased. With an increase in joint spacing, the attenuation rate of the blasting stress waves increased.