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脆性岩石破坏试验研究

岩石力学与工程学报 2009年第A1期28卷 2772-2777页

作者：吕森鹏陈卫忠贾善坡谭贤君中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

对不同加载速率控制条件下标准试样以及带中心圆孔的花岗岩岩板进行单轴压缩试验,研究岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析。试验结果表明:岩石材料破坏过程是内部微裂纹产生和扩展过程的宏观反映;声发射信号与应力–应变曲线有良好... 详细信息

对不同加载速率控制条件下标准试样以及带中心圆孔的花岗岩岩板进行单轴压缩试验,研究岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析。试验结果表明:岩石材料破坏过程是内部微裂纹产生和扩展过程的宏观反映;声发射信号与应力–应变曲线有良好的对应关系,根据声发射信号可以判断岩石内部裂纹扩展演化的情况;在不同的加载速率条件下对应不同的承载能力和不同的破坏形态。根据试验结果,建立弹脆性损伤本构模型,基于ABAQUS平台,采用与试验一致的控制条件对带孔岩板进行数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明,数值模拟真实地反映了岩石变形破坏的全过程,研究成果对研究脆性岩石的破坏以及脆性岩石的岩爆机制具有重要的指导意义。

关键词：岩石力学带孔岩板加载速率破坏数值仿真声发射

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半封闭淹没圆管冲击射流湍流特性研究

半封闭淹没圆管冲击射流湍流特性研究

作者：吕森鹏重庆交通大学

学位级别：硕士

目前国内关于约束条件下圆管冲击射流的研究主要偏向于传热、噪声性质,关于流动特性的研究尚不全面。为了提高对多重关键控制因子影响下半封闭淹没圆管冲击射流流动机理的认识,本文基于课题组自主研发的恒定多孔紊动射流试验装置,同时借... 详细信息

目前国内关于约束条件下圆管冲击射流的研究主要偏向于传热、噪声性质,关于流动特性的研究尚不全面。为了提高对多重关键控制因子影响下半封闭淹没圆管冲击射流流动机理的认识,本文基于课题组自主研发的恒定多孔紊动射流试验装置,同时借助PIV高速粒子测速仪进行试验,统计分析半封闭淹没圆管冲击射流在不同工况条件下的时均特性与紊动特性,为进一步研究该类射流的物质扩散和能量耗散作铺垫,并为工程应用提供机理解释与水力结构设计参考。本文的主要研究工作和成果如下:(1)绘制了不同工况下的流场流线图,流场中回流区随着雷诺数及冲击距的增大均往出流方向运动;在对壁面半值宽和速度衰减分析中,发现了回流区对自相似性的影响。(2)对射流主体段卷吸系数变化规律的研究表明:射流势流核长度随冲击距增大而增长的趋势较为明显,射流主体段沿程卷吸系数呈线性函数变化趋势,整体上沿程卷吸扩展率随雷诺数和冲击距的增大而增大,但其增幅随着冲击距的增大逐渐变小。(3)对壁面射流自相似区的半值宽扩展率进行了统计,在该段壁面射流的扩展呈线性函数变化;相同的冲击距离条件下,扩展率随雷诺数的增长而逐步减小,这与渐缩式圆形冲击射流的研究成果相似;随着雷诺数的增大,壁面射流区扩展率变化逐渐与自由冲击射流的规律一样,即逐步形成冲击距离越大扩展率越大的变化规律。(4)对壁面射流的速度衰减和分布进行了研究,结果表明:在断面最大径向速度沿程分布的自相似区速度衰减呈幂函数变化趋势;在自相似性不受回流区影响的工况下,相同雷诺数时衰减指数随冲击距的增大而增大,相同冲击距时衰减指数整体上随雷诺数的增大而增大。壁面射流区的速度分布变化趋势整体上保持一致,在冲击距条件一定时,随着雷诺数的增大,径向速度分布曲线逐渐向壁面靠拢,流速峰值处速度曲线曲率半径逐渐变小;壁面射流断面径向速度分布存在着自相似性,其中回流区对自相似性的影响范围与壁面射流扩展率及半值宽基本一致。(5)统计分析了相对紊动强度的分布规律,结果显示:在射流中心线上,轴向相对紊动强度沿射流方向呈幂函数增长趋势,轴向相对紊动强度变化存在着自相似性。雷诺数相同情况下,轴向相对紊动强度增长指数随着冲击距的增大而增大;同一冲击距下,整体上随着雷诺数的增大,增长指数有随之增加的趋势;在Re=11040至Re=13920的增长区间内,部分冲击距条件下的增长指数变化不大,有略微下降的趋势。(6)利用统计学分析方法研究分析了射流中心线上瞬时速度的概率密度分布、准周期性,统计结果表明:时均流速在瞬时速度变化过程中的复现样本量间隔最短,随着瞬时脉动流速的增大,对应的复现样本量间隔也随之增大,且脉动速度增量与复现样本量两者的增幅变化十分接近,同时也可以发现统计样本量越大,紊动的准周期性越明显。(7)研究了射流中心线上轴向和径向速度的偏态系数和峰度系数,分析了其不同工况条件下的变化规律,研究结果显示:整体上,径向速度在靠近喷嘴和冲击壁面的区域偏离正态分布程度较大,脉动较强;轴向速度在靠近壁面处偏离正态分布程度较大,且随冲击距的增大,偏态系数和峰度系数逐渐增大。本文的研究成果不仅可为紊动射流数学模型提供数据参考,评价湍流模型的预测能力,还可提高对多重关键控制因子影响下射流流动机理的认识,为解释该半封闭空间边界条件下的射流动能、能量传递和耗散机制奠定良好基础,研究成果预期可为船闸输水系统水力结构设计提供技术储备。

关键词：半封闭冲击射流圆管射流流动特性紊动特性粒子图像测速

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含相变低温岩体水热耦合模型研究

岩石力学与工程学报 2008年第7期27卷 1455-1461页

作者：谭贤君陈卫忠贾善坡吕森鹏中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

根据冻融循环条件下岩体水分运动和热量迁移的基本规律,基于连续介质力学、热力学以及分凝势理论,建立低温岩体温度场和渗流场耦合控制方程,该耦合方程不仅考虑了热传导、相变潜热和渗流速度对温度分布的影响,而且分析了由分凝势引起的... 详细信息

根据冻融循环条件下岩体水分运动和热量迁移的基本规律,基于连续介质力学、热力学以及分凝势理论,建立低温岩体温度场和渗流场耦合控制方程,该耦合方程不仅考虑了热传导、相变潜热和渗流速度对温度分布的影响,而且分析了由分凝势引起的孔隙水流动对渗流速度以及渗透压力分布的影响,实现了温度场和渗流场的双向全耦合。并将研究成果与***等的模型试验和现场试验进行对比分析,结果表明,所建立的耦合控制方程计算结果与实测结果吻合较好。在此基础上,应用此耦合模型数值仿真寒区隧道,对隧道温度场分布规律和冻融圈大小进行分析,该计算结果能为寒区隧道的设计和施工提供一定的参考。

关键词：岩石力学冻岩相变水热耦合耦合模型

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高地应力下地下工程岩爆机理及应用研究

高地应力下地下工程岩爆机理及应用研究

作者：吕森鹏中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）

学位级别：硕士

岩爆是大型地下工程建设中经常遇到的地质灾害,由于其生成机理复杂,至今在理论界和工程界尚未形成比较成熟的认识,岩爆理论目前的学术进展与具体工程实践指导还相距较远,用于满足工程需要的岩爆预测研究与预防方案,尚停留在对岩爆灾情... 详细信息

岩爆是大型地下工程建设中经常遇到的地质灾害,由于其生成机理复杂,至今在理论界和工程界尚未形成比较成熟的认识,岩爆理论目前的学术进展与具体工程实践指导还相距较远,用于满足工程需要的岩爆预测研究与预防方案,尚停留在对岩爆灾情发生的经验判断水平。因此,有必要进一步对在实际工程中岩爆的发生机理、预测预报模型开展试验与理论研究、对岩爆防治对策进行实际探讨,从而提出可靠的预测方法和防治对策。这些对防止岩爆的发生、保证生产安全具有一定的理论意义和较大的实用价值。本文通过室内试验研究高地应力卸荷条件下岩石破坏机理,从能量的角度提出岩爆的判别准则,研究岩石弹脆性本构模型并通过三维数值计算,提出岩爆可能发生的区域与等级,并提出相应的工程防治措施。首先,通过室内开展大量的不同控制条件下花岗岩卸围压试验,研究岩石在不同应力路径下的能量释放规律和破坏特征,从能量的角度研究岩爆发生的机理,并提出相应的判别指标;然后在大量试验研究和理论分析的基础上,运用损伤力学理论建立岩石弹脆性损伤力学模型,推导出岩石在一维、三维应力状态下的损伤演化方程,根据岩爆能量指数进一步考察损伤岩体的破坏准则以及与工程岩爆问题中这种岩石破坏的剧烈程度;然后根据所推导的弹脆性损伤模型和相应的判别指标进行三维数值计算,应用新提出的能量判据预测岩爆的等级和范围,并通过BP神经网络综合多种影响因素对依托工程在不同开挖方式、不同施工速率下进行综合预测,提出岩爆可能发生的区域与等级;最后研究了岩爆的防治措施,并对依托工程提出了合理的开挖方法和具体的岩爆防治措施。

关键词：岩爆机理卸围压试验能量指数损伤模型数值计算岩爆防治

大岗山水电站地下厂房区初始地应力场Nelder-Mead优化反演研究

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岩土力学 2008年第9期29卷 2341-2349页

作者：贾善坡陈卫忠谭贤君吕森鹏中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071

初始地应力是大型地下洞室群设计与施工所要考虑的重要因素之一。结合大岗山水电站工程地质条件以及实测地应力资料,分析了地下厂房区初始地应力的影响因素,建立了基于侧压力系数的三维地应力反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反... 详细信息

初始地应力是大型地下洞室群设计与施工所要考虑的重要因素之一。结合大岗山水电站工程地质条件以及实测地应力资料,分析了地下厂房区初始地应力的影响因素,建立了基于侧压力系数的三维地应力反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到Nelder-Mead算法程序中,对建立的地质概化模型进行计算,以实测点地应力值与计算应力值建立精确罚函数误差模型,进行优化逼近分析。通过实测点的计算应力值与现场实测值的比较,从而获得地下厂房区初始地应力场较为合理的分布规律,为水电站开挖模拟及长期稳定性分析提供了合理的初始条件。

关键词：初始应力场反演分析 Nelder—Mead算法有限元

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基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

岩石力学与工程学报 2009年第8期28卷 1530-1540页

作者：陈卫忠吕森鹏郭小红乔春江中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室湖北武汉430071 中交第二公路勘察设计研究院有限公司湖北武汉430056

岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏... 详细信息

岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明:无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标:岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。

关键词：岩石力学卸围压试验变形破坏能量原理岩爆判别指标岩爆等级

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半封闭圆管冲击射流流动特性PIV试验研究

振动与冲击 2021年第15期40卷 90-97,113页

作者：陈明黄海津王多银吕森鹏陈沿吉重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室重庆400074 重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心重庆400074

为研究封闭板对长直圆管冲击射流流动特性的影响,采用粒子图像测速技术对不同雷诺数Re(5084~13926)和冲击距H/d(2~6)条件下的流场进行了测量,统计分析了回流区运动规律、势流核长度变化、射流冲击前卷吸特性、壁面射流扩展率及速度衰减... 详细信息

为研究封闭板对长直圆管冲击射流流动特性的影响,采用粒子图像测速技术对不同雷诺数Re(5084~13926)和冲击距H/d(2~6)条件下的流场进行了测量,统计分析了回流区运动规律、势流核长度变化、射流冲击前卷吸特性、壁面射流扩展率及速度衰减指数。试验结果发现:①雷诺数和冲击距对回流区运动特征的影响规律与半封闭孔板冲击射流一致;②射流冲击前流动特性表现为,相较雷诺数对势流核长度和卷吸系数扩展率的影响,冲击距的影响更大,且随着冲击距增大,势流核长度和卷吸系数扩展率均增大。③壁面射流区流动特性表现为,扩展率随雷诺数的增大而减小,衰减指数在较小冲击距(H/d=2)时随雷诺数的增大而增加,之后随冲击距增大,雷诺数对衰减指数的影响逐渐变弱。④与自由冲击射流比较,封闭板的存在使得壁面射流区速度衰减加快,而对壁面射流区扩展率影响不显著,该结果与现有关于封闭板对孔板冲击射流影响特性的研究成果存在显著差异。

关键词：半封闭冲击射流圆管射流流动特性粒子图像测速

软弱围岩结构隧道台阶法施工中采用拱脚稳定控制技术研究

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福建建材 2016年第8期 67-68页

作者：吕森鹏厦门路桥建设集团有限公司福建厦门361026

结合某隧道工程实例,该隧道工程在软弱围岩结构区间应用台阶法进行施工,对施工期间软弱围岩拱脚变形问题进行仿真分析,对台阶法施工技术进行简要介绍,重点对拱脚稳定性控制技术进行探讨总结,望能够通过对拱脚稳定性的控制确保隧道结构... 详细信息

结合某隧道工程实例,该隧道工程在软弱围岩结构区间应用台阶法进行施工,对施工期间软弱围岩拱脚变形问题进行仿真分析,对台阶法施工技术进行简要介绍,重点对拱脚稳定性控制技术进行探讨总结,望能够通过对拱脚稳定性的控制确保隧道结构在软弱围岩中的稳定性与可靠性。

关键词：软弱围岩结构隧道台阶法拱脚稳定控制技术

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厦门岩内隧道长期稳定性分析

土工基础 2016年第5期30卷 580-583页

作者：吕森鹏厦门路桥建设集团有限公司福建厦门361026

软岩隧道围岩蠕变特性会对隧洞的长期稳定性产生重要影响。以厦门岩内隧道为研究对象,对取自现场的全风化花岗岩进行了一系列三轴蠕变试验研究,建立了适用于该岩石的幂指数蠕变模型,通过对试验数据的分析得到了隧道围岩的蠕变参数。将... 详细信息

软岩隧道围岩蠕变特性会对隧洞的长期稳定性产生重要影响。以厦门岩内隧道为研究对象,对取自现场的全风化花岗岩进行了一系列三轴蠕变试验研究,建立了适用于该岩石的幂指数蠕变模型,通过对试验数据的分析得到了隧道围岩的蠕变参数。将全风化花岗岩蠕变模型嵌入到有限元程序中,对岩内隧道的长期稳定性进行了分析。结果表明,由于围岩的蠕变特性,隧道建成2年内围岩的变形较大,但逐渐趋于稳定。隧道运营10年后,围岩变形导致的衬砌破坏区主要集中在拱脚部位,面积较小,不会对隧道的长期稳定性产生影响。

关键词：蠕变软岩岩内隧道长期稳定性