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钢纤维混凝土弧板井壁结构的力学特性

煤炭学报 2010年第1期35卷 46-50页

作者：蔡海兵姚直书荣传新安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 中南大学土木建筑学院湖南长沙410075

针对深厚表土层煤矿立井井筒支护难题，提出可适用于冻结井筒外层井壁的钢纤维混凝土预制弧板井壁结构。通过模型试验对该种井壁结构的力学特性进行了研究。结果表明：钢纤维可增强弧板井壁结构的韧性，井壁破坏前钢纤维混凝土环向峰值... 详细信息

针对深厚表土层煤矿立井井筒支护难题，提出可适用于冻结井筒外层井壁的钢纤维混凝土预制弧板井壁结构。通过模型试验对该种井壁结构的力学特性进行了研究。结果表明：钢纤维可增强弧板井壁结构的韧性，井壁破坏前钢纤维混凝土环向峰值应变达2200～2300με；钢纤维可改善井壁结构的变形和破坏特征，井壁破坏时的最大径向位移可达20mm以上。利用试验验证的有限元模型对钢纤维弧板井壁进行了极限承载力影响因素的分析，表明混凝土抗压强度与井壁厚径比是承载力的主要影响因素，而钢纤维掺入量对井壁承载力影响较小。最后建立了钢纤维混凝土孤板井壁的极限承载力经验公式。

关键词：钢纤维弧板井壁结构井筒支护有限元模型

基于流固耦合理论的煤矿立井井壁突水机理分析

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煤炭学报 2011年第12期36卷 2102-2108页

作者：荣传新王秀喜蔡海兵程桦安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 中国科学技术大学近代力学系安徽合肥230027

将煤矿立井混凝土井壁视为多孔介质,考虑地下水渗流作用的影响,应用统一强度理论和弹塑性损伤力学模型,推导出立井混凝土井壁弹性区和塑性损伤区应力的解析表达式,以及井壁承受的地下水压与塑性损伤区半径之间关系的解析表达式。同时绘... 详细信息

将煤矿立井混凝土井壁视为多孔介质,考虑地下水渗流作用的影响,应用统一强度理论和弹塑性损伤力学模型,推导出立井混凝土井壁弹性区和塑性损伤区应力的解析表达式,以及井壁承受的地下水压与塑性损伤区半径之间关系的解析表达式。同时绘制了不同的φ(混凝土孔隙率)和λ/E(混凝土损伤后的降模量与弹性模量之比)值与井壁承受水压p0和塑性损伤区半径c之间的关系曲线。研究结果表明:在井壁几何尺寸和混凝土强度等级不变情况下,不考虑地下水渗流对井壁的影响时(φ=0),井壁能够承受的临界水压p0c为31.9 MPa;当φ取0.4时,p0c为15.1 MPa,井壁能够承受的临界水压下降了52.7%。当λ/E取0.5时,p0c为30.5 MPa;当λ/E取2.5时,p0c为18.6 MPa,井壁能够承受的临界水压下降了39.0%。由此可见,在考虑地下水渗流对井壁影响的情况下,地下水渗流效应和混凝土损伤软化对井壁能够承受的临界水压p0c影响十分显著,井壁能够承受的临界水压随着混凝土孔隙率φ和混凝土损伤后的降模量与弹性模量之比λ/E的增加而减小。

关键词：煤矿立井井壁突水机理流固耦合地下水统一强度理论弹塑性损伤模型临界水压

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特厚表土层钻井井壁底结构分析与设计优化

煤炭学报 2009年第6期34卷 747-751页

作者：姚直书蔡海兵程桦荣传新安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001

针对目前特厚表土层深钻井工程井壁底常用设计计算方法不能反映结构的细部应力特征、且支承环应力与实际状态不符的难题,采用有限元法对淮南张集煤矿西区进风井井壁底结构进行了数值分析,计算结果表明,原设计井壁底结构中壳体与支承环... 详细信息

针对目前特厚表土层深钻井工程井壁底常用设计计算方法不能反映结构的细部应力特征、且支承环应力与实际状态不符的难题,采用有限元法对淮南张集煤矿西区进风井井壁底结构进行了数值分析,计算结果表明,原设计井壁底结构中壳体与支承环相交处内缘径向应力最大,为-34.54 MPa.在井壁底结构设计时,可取支承环高度2.0 m进行计算.通过设计优化,井壁底结构中最大应力得到大大降低,只有-12.68 MPa,满足了设计强度要求.工程实测结果表明,优化后井壁底结构中实际钢筋的最大应力为-67.20 MPa,混凝土最大应变为-351με,且都远小于他们的设计值.优化后的井壁底不但节约了混凝土浇灌量,更为重要的是中间部位没有浇灌实,为后面破锅底爆破工作创造了自由面,加快了施工进度.

关键词：特厚表土层钻井法凿井井壁底有限元法

基于广义Hoek-Brown准则的深埋硐室围岩塑性区位移分析

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采矿与安全工程学报 2015年第5期32卷 778-785页

作者：蔡海兵程桦荣传新安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 安徽大学资源与环境工程学院安徽合肥230039

将广义的Hoek-Brown准则采用无量纲量形式进行表示,在此基础上,建立了均匀应力场圆形硐室的弹塑性解析方法。并针对不同性质岩体,分为不考虑岩体剪胀和塑性区内的弹性变形、考虑岩体剪胀且塑性区内的弹性变形为常量、考虑岩体剪胀且塑... 详细信息

将广义的Hoek-Brown准则采用无量纲量形式进行表示,在此基础上,建立了均匀应力场圆形硐室的弹塑性解析方法。并针对不同性质岩体,分为不考虑岩体剪胀和塑性区内的弹性变形、考虑岩体剪胀且塑性区内的弹性变形为常量、考虑岩体剪胀且塑性区内的弹性变形为变量这3种情况,对深埋硐室围岩的塑性区位移进行了对比分析。分析结果表明:在考虑岩体剪胀且塑性区内的弹性变形为变量情况下,硐室围岩塑性区位移的计算结果最大。对于岩体质量差和一般的软岩硐室,应考虑岩体的剪胀特性和塑性区内的弹性变形,且塑性区内的弹性变形应为变量;而对于岩体质量好的硐室或者是硬岩硐室,则不必考虑岩体的剪胀特性和塑性区内的弹性变形。

关键词： Hoek-Brown准则深埋硐室塑性区位移剪胀弹性变形

采用长距离水平冻结暗挖法的浅埋大断面地铁隧道施工技术

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中国铁道科学 2011年第1期32卷 75-80页

作者：姚直书蔡海兵程桦马进安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 中煤特殊凿井集团安徽淮北235004

通过人工冻土试验、有限元数值分析和大型物理模型试验,研究浅埋大断面地铁隧道采用长距离水平冻结暗挖法的施工技术。通过现场土的人工冻土试验,得到土体冻结的物理力学指标。有限元数值分析结果表明,随着冻结壁厚度的增加,冻结壁的强... 详细信息

通过人工冻土试验、有限元数值分析和大型物理模型试验,研究浅埋大断面地铁隧道采用长距离水平冻结暗挖法的施工技术。通过现场土的人工冻土试验,得到土体冻结的物理力学指标。有限元数值分析结果表明,随着冻结壁厚度的增加,冻结壁的强度和稳定性增加。大型物理模型试验结果表明,冻胀和融沉量都随着冻结壁厚度的增加而明显增大;当冻结壁厚度为4.5 m时,预测实际工程地表冻胀和融沉量均已超过允许值。根据上述研究结果,进行了冻结施工方案的设计和优化。在施工过程中,改进超长距离水平冻结管连接方式,采用跟管钻进新技术,确保了冻结孔的成孔质量;采取设置卸压孔、加大盐水流量和融沉跟踪注浆等技术措施,有效地控制了地面的冻胀和融沉,确保了工程顺利地完成。

关键词：地铁隧道水平冻结暗挖法冻土试验有限元数值分析大型物理模型试验施工技术

深厚土层冻结法凿井过程中外层井壁模糊随机可靠性分析

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煤炭学报 2017年第5期42卷 1099-1107页

作者：程桦姚亚锋荣传新姚直书蔡海兵安徽大学资源与环境工程学院安徽合肥230022 安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 南通职业大学建筑工程学院江苏南通226001 安徽理工大学安全科学与工程博士后科研流动站安徽淮南232001

针对常规可靠性表征结构稳定性时的不足,分析更加符合深井工况的模糊随机可靠性,给出相应的模糊随机功能函数和模糊随机极限状态方程,并针对可靠性中心点算法进行模糊随机改进。结合深厚冲积层井壁冻结压力和钢筋混凝土井壁极限承载力... 详细信息

针对常规可靠性表征结构稳定性时的不足,分析更加符合深井工况的模糊随机可靠性,给出相应的模糊随机功能函数和模糊随机极限状态方程,并针对可靠性中心点算法进行模糊随机改进。结合深厚冲积层井壁冻结压力和钢筋混凝土井壁极限承载力模糊随机分析,得到深厚冲积层高强钢筋混凝土外层井壁的模糊随机极限状态方程,应用改进后的中心点法推导出外层井壁结构模糊随机可靠性的解析区间,并提出各主要变量对模糊随机可靠性的灵敏度区间模型。工程算例表明:由于综合考虑到各参数的不确定性,获得的模糊随机可靠性相比常规的可靠性总体偏低,其结果更能反映实际工况。此外,模糊随机可靠性首次以区间值表征井筒的可靠程度,较常规可靠性的定值表现方法更具合理性。

关键词：模糊随机可靠性区间值中心点算法改进外层井壁极限状态方程灵敏度模型

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深立井连接硐室群围岩稳定性分析及支护对策

煤炭学报 2011年第2期36卷 261-266页

作者：程桦蔡海兵荣传新姚直书黎明镜安徽建筑工业学院土木工程学院安徽合肥230022 安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001

针对深立井连接硐室群围岩稳定性控制和支护技术难题,在工程地质调查的基础上,结合室内岩石力学试验,基于广义的Hoek-Brown强度准则取得了岩体力学参数,进而采用数值模拟方法对硐室群在开挖过程中的围岩位移规律和塑性区范围进行了分析... 详细信息

针对深立井连接硐室群围岩稳定性控制和支护技术难题,在工程地质调查的基础上,结合室内岩石力学试验,基于广义的Hoek-Brown强度准则取得了岩体力学参数,进而采用数值模拟方法对硐室群在开挖过程中的围岩位移规律和塑性区范围进行了分析。根据数值模拟结果优化了硐室群的支护结构设计方案,并通过深浅孔方式的滞后注浆技术对围岩做进一步加固,围岩变形规律和支护结构受力的现场实测结果验证了优化支护结构的合理性,形成了深立井连接硐室群围岩失稳的控制对策。

关键词：深立井硐室群围岩稳定性支护结构设计滞后注浆

管幕冻结隧道“顶管−冻土”复合结构力学特性试验研究

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煤田地质与勘探 2022年第12期50卷 159-169页

作者：段寅荣传新蔡海兵龙伟深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001

拱北隧道暗挖段作为港珠澳大桥珠海连接线的重点工程,首次运用管幕冻结法进行施工。该法综合管幕法和人工地层冻结法的优势,可在隧道断面形成“顶管−冻土帷幕”复合支护体系,有效实现“承载”与“顶管间止水”的双重目标,确保隧道开挖... 详细信息

拱北隧道暗挖段作为港珠澳大桥珠海连接线的重点工程,首次运用管幕冻结法进行施工。该法综合管幕法和人工地层冻结法的优势,可在隧道断面形成“顶管−冻土帷幕”复合支护体系,有效实现“承载”与“顶管间止水”的双重目标,确保隧道开挖时的稳定与安全。为获得“顶管−冻土”复合结构的温度、变形与力学特性,基于相似理论自主研发构建一套相似模型试验系统并开展试验研究,同时利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立数值计算模型进行模拟验证。结果表明:复合结构的冻结温度场因空、实顶管及其内部冻结器的布置形式呈现不均匀分布特征,冻土形成速率在冻结后期明显变缓;土体竖向冻胀变形在60~160 min内急剧增大,且冻胀量随深度增加而增大,整体规律与温度场分布密切相关;土体冻结产生的冻胀力对顶管水平受力影响较大,空顶管相对刚度较小而产生较大水平变形;在加载阶段,顶管受力与变形均以竖向为主。因空、实顶管刚度差异和冻土厚度不均匀的共同影响,空顶管竖向变形包含了“弯曲”与“压扁”并具有非线性特征,其跨中截面底部竖向位移峰值约为实顶管的1.6倍;加载至0.28 MPa时,管间冻土首先发生破坏,进而导致顶管间封水功能失效,实际施工中应重点监测空顶管的变形规律、管间冻土帷幕的温度变化及其完整性。研究成果可为管幕冻结法的施工与监测提供参考,也可为热力耦合数值计算模型提供验证依据。

关键词：管幕冻结复合结构力学特性相似模型试验

基于随机介质理论的隧道冻结期地表冻胀预测方法

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中南大学学报（自然科学版） 2014年第12期45卷 4251-4257页

作者：蔡海兵彭立敏郑腾龙安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 中南大学土木工程学院湖南长沙410075

隧道人工冻结施工期地层的冻胀现象会对工程周边环境产生不良影响,合理的地表冻胀预测方法对隧道冻结设计和施工具有重大指导意义,并可降低冻结法应用的成本和风险。为此,提出在隧道水平冻结期,冻结壁交圈前,地表冻胀位移由多个独立冻... 详细信息

隧道人工冻结施工期地层的冻胀现象会对工程周边环境产生不良影响,合理的地表冻胀预测方法对隧道冻结设计和施工具有重大指导意义,并可降低冻结法应用的成本和风险。为此,提出在隧道水平冻结期,冻结壁交圈前,地表冻胀位移由多个独立冻土柱的叠加冻胀效应引起;冻结壁交圈后,地表冻胀位移则由整个冻结壁的冻胀效应引起。并指出冻结壁交圈前的温度场可由单管冻结理论近似求解,冻结壁交圈后的温度场则由平板冻结理论近似求解。在此基础上,基于单管冻结理论、平板冻结理论和土体冻胀率计算公式,考虑冻结壁的形成过程,采用随机介质理论,建立隧道水平冻结期地表冻胀的预测方法。将该预测方法应用于实际工程案例中,通过与现场实测结果的对比分析,验证预测方法的实用性和可靠性。

关键词：隧道冻结地表冻胀冻结过程预测方法随机介质理论