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锚固作用下裂隙砂岩的动力学特性研究

锚固作用下裂隙砂岩的动力学特性研究

作者：刘备备湖南科技大学

学位级别：硕士

随着我国矿业发展,煤矿开采逐渐向深部推进。在巷道围岩支护工程中,岩体经过漫长的地质作用形成了诸如节理、孔洞、裂隙、层理等缺陷,这些缺陷的存在对岩体的力学性质有明显的劣化作用,会降低岩体的整体性和稳定性进而带来许多安全隐患... 详细信息

随着我国矿业发展,煤矿开采逐渐向深部推进。在巷道围岩支护工程中,岩体经过漫长的地质作用形成了诸如节理、孔洞、裂隙、层理等缺陷,这些缺陷的存在对岩体的力学性质有明显的劣化作用,会降低岩体的整体性和稳定性进而带来许多安全隐患,锚杆作为一种行之有效的支护措施,因其方便、快捷、经济、高效等优点得以广泛应用。许多工程实例表明,巷道围岩在锚杆的锚固作用下时常也会发生结构失稳破坏,主要原因还是外荷载作用下岩体内微裂隙的产生、扩展、贯通导致的。裂隙岩体或岩石的静力学特性研究已经成果颇丰,而动力学特性的研究较少,本研究基于霍普金森压杆实验平台研究了锚杆锚固作用下不同角度预制裂隙砂岩的动力学特性。主要研究内容和结论如下:(1)通过静态单轴压缩试验,得到了红砂岩试件的静力学参数以及应力-应变曲线,分析了试件破坏过程中不同阶段的能量演化以及声发射信号特征,压密阶段的弹性应变能和耗散应变能的增长速率较为缓慢,声发射振铃计数和能量都较低,弹性阶段的总应变能演化曲线的斜率快速增加最后趋于稳定,声发射振铃计数和能量有所增加,塑性变形阶段,声发射信号较活跃,总应变能线性增长,破坏后阶段的弹性应变能全部转化为耗散应变能,振铃计数和能量值均在此阶段达到最大;(2)通过SHPB冲击试验,得到了锚固状态下不同倾角裂隙试件的动态力学特征,冲击试验的应力-应变曲线分为弹性阶段、塑性阶段、和峰后破坏阶段。锚杆和裂隙共同作用时,锚杆对砂岩的影响要大于裂隙,随着预制裂隙倾角的增大,动态抗压强度先减小后增大,平均应变率先增大后减小,峰值应变先明显增大后略微减小,加锚裂隙试件峰值应变也呈先增大后减小的趋势,加锚裂隙试件比裂隙砂岩试件的动态弹性模量始终要大并且动态弹性模量呈先减小后略微增大的趋势,无锚裂隙试件呈先增大后减小再增大的趋势;(3)通过检测试件冲击破坏过程中的声发射信号,获得了冲击过程试样的声发射特征参数,不同试件的振铃计数值和能量值有所不同,但是其特征趋势相似,声发射信号特征值随着预制裂隙角度的增大呈先增大后减小的趋势,这与单位体积耗散能和预制裂隙角度的关系变化趋势类似;(4)无论是加锚还是无锚裂隙试件,反射能与入射能比率随裂隙角度增大整体都呈先减小后增大再略微减小的趋势,耗散能与入射能比率随着裂隙角度呈先增大后减小的趋势,裂隙无锚试件的平均耗散能大于完整试件,加锚试件的单位体积耗散能远小于裂隙无锚试件,所有裂隙试件的单位体积耗散能随着预制裂隙角度的增大都呈先增大后减小的趋势;(5)冲击试验的试件最终破坏模式主要有张拉劈裂破坏、剪切型破坏、以及张拉-剪切型复合破坏三种情况。加锚裂隙试件的预制裂隙扩展与无锚裂隙试件的裂隙扩展有所不同,无锚裂隙试件的裂隙大都沿着冲击荷载方向扩展,宏观表现为沿着荷载方向的张拉劈裂破坏,而锚杆作用时,除了裂隙为90°和0°的试件外,预制裂隙扩展方向与荷载方向不同,宏观表现一定角度的斜剪切破坏;(6)基于滑动裂纹模型构建了冲击压缩条件下裂隙的扩展模型。翼裂纹应力强度因子决定了裂隙的起裂条件、起裂角度等,而影响应力强度因子的关键在于翼裂纹和主裂纹的长度比值l/c,提出锚杆的存在会显著抑制翼裂纹的扩展,通过HN和S计算模型构建了应力强度因子和翼裂纹倾角的函数关系,进而得到锚固作用下裂隙的起裂角度,与实际试验的吻合性较好。

关键词：裂隙砂岩锚固作用动力特性声发射特征裂隙扩展

土工织物治理覆盖型岩溶路基塌陷的锚固作用研究

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土工织物治理覆盖型岩溶路基塌陷的锚固作用研究

作者：李晓桂林电子科技大学

学位级别：硕士

覆盖型岩溶区路基塌陷近年来呈高发事态,其发生周期短、塌陷过程迅速、隐蔽性高,具有明显的危害性。现有的岩溶路基塌陷后治理方式多为回填压实,治标不治本,容易造成二次塌陷。土工织物不仅具有加筋作用还具有反滤特性,在治理岩溶路基... 详细信息

覆盖型岩溶区路基塌陷近年来呈高发事态,其发生周期短、塌陷过程迅速、隐蔽性高,具有明显的危害性。现有的岩溶路基塌陷后治理方式多为回填压实,治标不治本,容易造成二次塌陷。土工织物不仅具有加筋作用还具有反滤特性,在治理岩溶路基塌陷时铺设土工织物能够提高填土整体稳定性,同时利用其反滤特性保证了回填土的透水不透土,减少土颗粒的通过,有效降低了治理区域再次塌陷的可能性。目前关于筋材自由端采用反包方式的研究工作与工程应用,一般集中于边坡、加筋挡土墙、桩承式加筋路堤中,对于反包式土工织物治理岩溶路基塌陷的研究相对较少。本文通过结合实际塌陷工程的缩尺模型试验,对土工织物自由端反包与不反包时对岩溶路基塌陷治理的影响进行研究,揭示了土工织物自由端反包时的锚固作用机理,并通过拉拔试验及数值模拟,分析了土工织物自由端反包时拉拔力的影响因素,主要研究工作与结论如下:（1）通过室内缩尺模型试验发现,土工织物治理覆盖型岩溶路基塌陷具有良好的效果,能够增强路基整体的稳定性,减小塌陷区填土位移,防止塌陷近一步向上扩展。其承载机理包括土拱效应与拉膜效应,两者相互协同作用将塌陷区上部荷载部分传递至稳定区;（2）土工织物治理覆盖型岩溶路基塌陷时铺设采用反包方式,相当于将土工织物自由端更好的锚固在填土中,增强了土工织物与填土的相互作用,提高了土工织物的锚固力。锚固力越大,土工织物越难被拉动,锚固作用近一步限制了塌陷区土工织物的变形,从而阻止塌陷区上方土体向上扩大,提高了治理效果,缩小铺设范围,减少治理成本;（3）土工织物自由端反包的拉拔试验结果表示,拉拔力随拉拔位移的增大而增大,法向压力与筋材抗拉强度对拉拔力的影响显著。相同平铺长度下,土工织物自由端反包时的拉拔力明显高于不反包;（4）利用有限元软件建立了土工织物自由端反包的拉拔试验数值模型,并将数值模拟结果与试验结果对比,验证了数值模拟的可靠性。数值模拟结果表示,土工织物平铺长度、法向压力、土工织物反包高度、反包长度以及填土参数、筋土界面强度折减系数等因素都会对土工织物自由端反包时的拉拔力产生一定的影响。

关键词：土工织物覆盖型岩溶路基塌陷加筋自由端反包锚固作用筋土相互作用

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基于根土相互作用机理的根锚固作用研究

基于根土相互作用机理的根锚固作用研究

作者：及金楠北京林业大学

学位级别：硕士

设计和实施治理重力侵蚀的生物工程措施需对树木根系对土体的锚固特性进行深入的分析和研究。本文基于弹塑性力学、土力学、水土保持学、数学等原理和方法，采用有限元数值模拟、野外实验和室内实验相结合的技术路线，研究根的形态结构... 详细信息

设计和实施治理重力侵蚀的生物工程措施需对树木根系对土体的锚固特性进行深入的分析和研究。本文基于弹塑性力学、土力学、水土保持学、数学等原理和方法，采用有限元数值模拟、野外实验和室内实验相结合的技术路线，研究根的形态结构差异对土体抗倾覆力的影响及根对土体的锚固作用。研究内容分为两个阶段：(1)以单株鲱骨(Herringbone)状根构型为研究对象建立二维有限元模型，通过控制侧根与主根的夹角、删减根系不同部分等方法，建立了12种不同几何形态的鲱骨状根结构，并分别验证其在黏土和砂土中的抗倾覆力，由此，定量评价根系的不同部分和土的差异分别对土体抗倾覆力的贡献率。(2)以我国四川崇州综合林场为实验基地，与室内直剪实验相结合，验证根系对土体的锚固作用，并建立三维有限元模型分别模拟素土与含根土块的剪切实验，将有限元数值模拟结论与实验结论相结合。主要的研究成果如下：(1)根的存在确实对土体起到了锚固作用，另外，树木根系的几何形态结构和土壤类型在影响根的锚固作用中分别起到非常重要的作用。(2)浅层侧根的作用是不可低估的，在黏性土中浅层侧根在对土体的抗倾覆力中起主要作用，其贡献率约占35％——40％。(3)根、土复合体在整个破坏过程中形成一个旋转轴，此轴的位置随根形态、土壤类型的变化而变化。(4)根系受力状况直接影响根的生长发育。应力大的一侧根的生长速度要大于应力小的一侧，因而有些枝节长成“I”型或“T”型。(5)以柳杉为例，根系的抗拉阻力与根径呈现出明显的指数函数关系。

关键词：根系土体锚固作用

基于聚硅氮烷锚固作用的特殊浸润性表面的的构筑以及改性聚硅氮烷的研究

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基于聚硅氮烷锚固作用的特殊浸润性表面的的构筑以及改性聚硅氮烷...

作者：熊博华南理工大学

学位级别：硕士

特殊浸润性表面一般是指固体表面水接触角大于150°的超疏水或水接触角小于10°的超亲水表面。由于其特异性的疏水或者亲水性能,在自清洁、防覆冰、防雾、流体减阻,抗生物粘附、抗腐蚀以及油水分离等领域有着广阔的应用前景。近年来,特... 详细信息

特殊浸润性表面一般是指固体表面水接触角大于150°的超疏水或水接触角小于10°的超亲水表面。由于其特异性的疏水或者亲水性能,在自清洁、防覆冰、防雾、流体减阻,抗生物粘附、抗腐蚀以及油水分离等领域有着广阔的应用前景。近年来,特殊浸润性的表面也成为了表面材料领域的重要研究方向之一。人们对自然界中一些特殊浸润性的生物材料研究发现,表面化学组成以及粗糙度是影响固体表面浸润性的两个重要因素。根据这一理论结果,虽然研究者们已经制备出人工特殊浸润性表面,同时也发展了一些方法和技术。但是其面临的一个共同问题是所制备的特殊浸润性表面稳定性较差,表面的化学结构和粗糙度对基材的附着力较差而容易受到环境的影响被破坏,从而失去了超亲或者超疏性。针对这一问题,我们利用物理机械性能优异并且对大多数基材和纳米粒子均具有强的附着力的有机聚硅氮烷为锚分子,与不同改性后的二氧化硅纳米粒子共同沉积在基材表面,构建出性能稳定的超亲/超疏水的涂层。利用现代分析测试技术对所制备的特殊浸润性涂层表面化学组成、表面形貌以及润湿性进行分析,并研究涂层的抗细菌粘附、自清洁、油水分离以及耐久性等。除此之外,通过自制的偶氮苯化合物对有机聚硅氮烷进行改性,将有机聚硅氮烷功能化,制备出具有光响应性功能涂层,并研究其表面润湿性与紫外/可见光的关系。研究的主要内容和结果如下所述:(1)通过乙烯基三氯硅烷(VTCS)对纳米二氧化硅(Si O)进行改性制备表面含碳碳双键的V-Si O,以Glass为基材,利用有机聚硅氮烷(OPSZ)的锚固特性,依次将OPSZ与V-Si O交替喷涂于基材表面,制备出反应性的涂层Glass@OPSZ@V-Si O,然后通过紫外光表面引发的方式,接枝高亲水性的两性离子化合物DMPS,制备出超亲水Glass@OPSZ@V-Si O@DMPS涂层。结果表明,利用VTCS对Si O表面进行改性,当VTCS的质量占Si O质量的40%时,即40%-V-Si O,VTCS的接枝量最大;当使用40%-V-Si O,DMPS的浓度为50 mg/m L时,所制备的Glass@OPSZ@V-Si O@DMPS涂层的亲水性最好,其水接触角为6.9°,水下油接触角为142.6°,表现出超亲水性和水下高疏油性,并且对基材的附着力为0级;此外所制备的超亲水涂层Glass@OPSZ@V-Si O@DMPS对金黄色葡萄球菌的粘附力明显减少,具有一定的抗细菌粘附性。(2)利用巯基-烯点击反应将正十二烷基硫醇(NDM)修饰到V-Si O,制备出疏水性N-Si O纳米粒子。利用OPSZ的锚固特性,以OPSZ、N-Si O纳米粒子的丙酮分散液为原料,通过层层交替喷涂的方式,在载玻片(Glass)、铝合金(Al alloy)基材上成功构筑出一系列(OPSZ/N-Si O)(n=1,2…6)涂层。结果表明,涂层表面水接触角随着双层数n的增加呈现出上升的趋势,当双层数n为6时,Glass-(OPSZ/N-Si O)的水接触角为160.6°,滚动角为1°,Al-(OPSZ/N-Si O)的水接触角为156.7°滚动角为2.7°,均表现出超疏水性;并且(OPSZ/N-Si O)涂层具有良好的耐久性,在经过20次砂纸磨损后以及经过强酸强碱浸泡24小时后,其表面水接触角仍保持150°左右;此外,以泡沫铜(CF)为基材制备的CF-(OPSZ/N-Si O)具有优异的油水分离性能,对正辛烷/水混合物的分离效率在95%以上,对1.2-二溴乙烷/水混合物的分离效率高达98%以上,并且经过多次重复分离后,分离效率几乎不下降。(3)以OPSZ为锚分子,将合成产物甲基丙烯酸类偶氮苯化合物MTPAP通过硅氢加成反应修饰到OPSZ大分子链上,制备出偶氮苯化合物改性的有机聚硅氮烷OPSZ@MTPAP。然后利用滴铸的工艺,在Glass表面制备出D-Glass-OPSZ@MTPAP涂层,利用旋涂的工艺在Glass表面制备出S-Glass-OPSZ@MTPAP涂层,利用浸涂的工艺,在具有多尺度微纳复合结构的铜网CM-Ag的表面制备出CM-Ag-OPSZ@MTPAP。结果表明,当OPSZ与MTPAP的质量比为2.47:1时,达到OPSZ的最大反应限度;所制备的OPSZ@MTPAP兼具OPSZ的锚固特性和MTPAP的光响应性,在紫外光和可见光的照射下,能够发生可逆的顺反异构;所制备的D-Glass-OPSZ@MTPA涂层在经紫外光的照射60分钟后,水接触角从108.1°下降至98.4°,水接触角的变化值为9.7°;S-Glass-OPSZ@MTPAP表面在经过紫外光照射60分钟后,其水接触角从106.3°下降至97.7°,水接触角的变化值为9.6°;CM-Ag-OPSZ@MTPAP表面在经过紫外光照射45分钟后,其水接触角从141.2°下降至123

关键词：有机聚硅氮烷锚固作用特殊浸润性二氧化硅纳米粒子光响应性