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复杂地质条件下隧道围岩大变形负泊松比锚索主动支护方法及控制效果研究

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岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 275-286页

作者：陶志刚谢迪隋麒儒孙吉浩何满潮中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

隧道工程在建设过程中面临复杂地质条件时发生围岩大变形灾害造成大量经济损失与人员安全威胁。为解决复杂地质条件下隧道围岩大变形灾害难控制的工程问题,首先以开挖补偿法为基础,利用岩石力学方法,说明高支护力主动支护方法是控制围... 详细信息

隧道工程在建设过程中面临复杂地质条件时发生围岩大变形灾害造成大量经济损失与人员安全威胁。为解决复杂地质条件下隧道围岩大变形灾害难控制的工程问题,首先以开挖补偿法为基础,利用岩石力学方法,说明高支护力主动支护方法是控制围岩大变形的有效手段。然后,针对高支护力主动支护方法对于高性能新材料的需求,介绍团队研发的具有高恒阻力、大变形特性的多世代NPR(negative Poisson’s ratio)新材料。最后,介绍以NPR新材料为核心的主动支护方法在工程应用中对于不同复杂地质条件下的隧道围岩大变形灾害的控制。结果表明:(1)隧道围岩大变形主要由于隧道开挖造成围岩应力重分布导致围岩大变形破坏,而通过主动支护提供支护力可恢复或接近初始应力状态;(2)团队研发的NPR新材料较传统材料不同,可为深部围岩提供足够的支护力以恢复原岩应力状态;(3)根据工程案例分析,NPR主动支护技术在软岩隧道、断层破碎带隧道以及岩爆隧道中均表现出良好的大变形控制效果,为未来复杂地质条件下围岩大变形提供参考依据和实践基础。

关键词：隧道工程复杂地质大变形 NPR材料工程应用

穿断层隧道NPR锚索支护体系抗震特性振动台试验研究

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岩土力学 2024年第4期45卷 939-949页

作者：陶志刚丰于翔赵易张晓宇何满潮雷啸天中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

为研究具有负泊松比效应(negative Poisson’s ratio,NPR)的恒阻大变形锚索在地震作用下的吸能特性与动力响应规律,利用振动台开展含断层隧道使用普通锚索支护以及使用NPR锚索支护的振动台物理模型试验,对比分析地震作用下处于不同围岩... 详细信息

为研究具有负泊松比效应(negative Poisson’s ratio,NPR)的恒阻大变形锚索在地震作用下的吸能特性与动力响应规律,利用振动台开展含断层隧道使用普通锚索支护以及使用NPR锚索支护的振动台物理模型试验,对比分析地震作用下处于不同围岩条件中以及使用不同锚索进行支护时隧道结构的动力响应规律。研究结果表明:在同一地震波作用下,使用NPR锚索进行支护的隧道结构破坏程度与使用普通锚索进行支护的隧道结构相比有明显的改善,表明NPR锚索在地震作用下具有良好的吸能特性,能够为隧道结构提供有效支护;通过对比分析普通锚索与NPR锚索的锚索轴力时程曲线可知,在地震波作用下,普通锚索会发生破断现象,轴力突降至零,而NPR锚索的高恒阻力能够持续提供有效支护;分析隧道结构各测点的加速度、应变、土压力等动力响应可知,隧道断层区域在地震作用下的动力响应更为明显,隧道结构在地震作用下呈现出拱肩→拱腰→拱顶的破坏规律,这一研究成果为类似隧道工程的支护对策提供了理论参考。

关键词：振动台试验隧道支护 NPR锚索地震响应

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砂化白云岩变压力注浆扩散规律研究

岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3477-3490页

作者：杨柳姜晓宇陶志刚王丰年刘朝阳中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

为研究滇中引水工程玉溪施工段白云岩砂化对隧道注浆加固的影响,进而揭示浆液扩散规律,综合开展扫描电镜(SEM)试验、理论分析以及多物理场流固耦合数值模拟一系列深入研究。结果表明,白云岩在溶蚀作用下砂化且内部构造发育呈多尺度孔隙... 详细信息

为研究滇中引水工程玉溪施工段白云岩砂化对隧道注浆加固的影响,进而揭示浆液扩散规律,综合开展扫描电镜(SEM)试验、理论分析以及多物理场流固耦合数值模拟一系列深入研究。结果表明,白云岩在溶蚀作用下砂化且内部构造发育呈多尺度孔隙-裂隙网络体系分布特征,注浆时浆液扩散迁移的过程中存在前锋面并产生明显指进现象,发育构型不同的裂隙会导致水泥浆液扩散形态的不规则性和非稳定性。相比传统的恒压注浆,变压力梯度注浆更利于对砂化后地层复杂构造发育的多尺度裂隙进行均匀填充,浆液凝固后胶结破碎岩体减小围岩应力分布区域同时缓解拱顶、拱底的应力集中现象,对于提高围岩稳定性具有更加显著的效果。以上研究可为砂化白云岩地层隧道的实际注浆工程设计及施工提供理论参考。

关键词：岩石力学砂化白云岩滇中引水注浆扩散变压力梯度流固耦合

跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理及控制技术研究

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煤炭科学技术 2024年第6期52卷 14-28页

作者：郭志飚赵元欣杨东山高敬威尹松阳蒯孝辉中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

针对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形大不易支护的问题,以棋盘井煤矿东区11101工作面运输巷为工程背景,探究跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理,研究“切顶卸压+恒阻锚索”支护对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形的控制效果。建立力学分析模... 详细信息

针对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形大不易支护的问题,以棋盘井煤矿东区11101工作面运输巷为工程背景,探究跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理,研究“切顶卸压+恒阻锚索”支护对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形的控制效果。建立力学分析模型研究断层及切顶卸压自成巷顶板各相关参数对巷道直接顶应力的影响,将切顶卸压自成巷顶板变形过程划分为4个阶段,研究巷道顶板各阶段及总垂直位移量计算方法并给出计算公式,并将相关参数代入公式求解跨断层切顶卸压自成巷顶板垂直位移量;利用3DEC数值模拟软件建立跨断层切顶卸压自成巷数值计算模型,研究断层附近巷道顶板应力应变演化规律及恒阻锚索控制效果,研究结果表明:数值模拟上下盘巷道顶板变形数据与理论分析所得数据结果误差分别为1.14%、4.04%;恒阻锚索能够有效减小巷道顶板变形,与未使用恒阻锚索模型相比,上盘巷道切缝侧顶板垂直位移量减小至16.8%,下盘巷道切缝侧顶板垂直位移量减小至50.7%;上下盘巷道顶板在工作面回采过巷道测点断面过程中出现不同程度的应力集中,其中上盘巷道顶板的垂直应力集中值大于下盘巷道,分别为5.72 MPa和4.48 MPa;恒阻锚索通过减缓断层附近巷道顶板变形速率,待巷旁碎石帮充填完成后与碎石帮共同对巷道顶板变形进行控制;将11101工作面运输巷围岩位移监测数据与理论模型计算结果相比较,误差均在10%以内,证明“切顶卸压+恒阻锚索”支护方式对跨断层巷道顶板变形具有良好的控制效果。

关键词：切顶卸压跨断层开采 3DEC 顶板变形应力应变演化恒阻锚索

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高温后花岗岩损伤劣化机制晶粒模型数值研究

应用基础与工程科学学报 2024年第3期32卷 888-899页

作者：田文岭徐杰杨圣奇孙博文中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

地热开采对缓解我国能源压力具有长远的战略意义,准确认识花岗岩高温损伤破裂行为,对促进地热开发具有关键作用.在颗粒流程序中构建晶粒模型(GBM)模拟高温后花岗岩单轴压缩试验,研究花岗岩高温后热裂纹分布特征,分析其强度及变形参数随... 详细信息

地热开采对缓解我国能源压力具有长远的战略意义,准确认识花岗岩高温损伤破裂行为,对促进地热开发具有关键作用.在颗粒流程序中构建晶粒模型(GBM)模拟高温后花岗岩单轴压缩试验,研究花岗岩高温后热裂纹分布特征,分析其强度及变形参数随温度演化,研究单轴压缩裂纹扩展过程.结果表明:该GBM单元可以较好反映花岗岩强度及破裂随围压及温度的演化特征,随着温度升高,晶粒边界裂纹由离散分布状态逐渐贯通形成宏观裂纹,而当温度大于600℃时出现大量的穿晶裂纹.常温压缩过程中,试样首先产生离散分布的晶粒边界裂纹,而600℃微裂纹扩展较充分,加载过程中晶粒之间产生滑动,但峰后试样同样由穿晶裂纹的扩展导致宏观破坏.从细观层面上探究了高温花岗岩损伤劣化机制,对保障地热开采具有重要意义.

关键词：岩石力学花岗岩高温颗粒流晶粒模型单轴压缩破裂

循环动载边界下三维粗糙节理面剪切力学响应研究

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岩石力学与工程学报 2024年第5期43卷 1176-1189页

作者：尹乾何满潮靖洪文王琦祁生文吴疆宇孟波张强朱淳吴赛赛中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029

开展正弦波式循环法向动载–循环剪切位移叠加作用下三维粗糙节理面剪切试验,探讨初始法向静载(Fs)、法向动载振幅(Fa)、法向动载频率(fv)及循环剪切次数(N)对节理面剪切特性的影响。随着Fs与Fa的增加,节理面法向荷载变化范围逐渐增大,... 详细信息

开展正弦波式循环法向动载–循环剪切位移叠加作用下三维粗糙节理面剪切试验,探讨初始法向静载(Fs)、法向动载振幅(Fa)、法向动载频率(fv)及循环剪切次数(N)对节理面剪切特性的影响。随着Fs与Fa的增加,节理面法向荷载变化范围逐渐增大,一个剪切位移周期内剪切荷载呈现波动增加→波动减小→波动增加趋势;稳定状态下峰值剪切荷载随着Fs与Fa的增加分别增大4.90倍与65.12%,节理面抗剪能力逐渐增强,而随着fv的增加,节理表面损伤渐进累积导致峰值剪切荷载逐渐减小,且出现的时刻逐渐前移,稳定状态峰值剪切荷载减小17.49%。一个剪切位移周期内节理面法向位移呈现波动增加→波动减小→二次增加→二次减小的趋势,当节理面远离初始位置剪切时,凸起体持续“爬坡效应”导致法向位移逐渐增大;节理面法向位移–法向荷载呈现明显负相关,且最大法向位移滞后于最大剪切位移1/4法向荷载周期;随着N的增加,节理面持续磨损劣化导致最大法向位移呈指数函数减小趋势;最大法向位移随着Fs,Fa及fv的增加分别呈现逐渐减小、逐渐增加及先增后减的特征。剪切后节理表面粗糙度系数随着Fs,Fa与fv的增加,呈现的变化规律分别为减小了57.79%,43.26%以及以1 Hz为拐点先增加后减小的趋势。

关键词：岩石力学粗糙节理面循环剪切法向动载法向位移表面磨损

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高强高韧锚杆钢能量吸收特性研究

岩石力学与工程学报 2024年第S01期43卷 3204-3216页

作者：王鼎何满潮周辉王琦王旭春中国矿业大学(北京)机械与电气工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 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 青岛理工大学土木工程学院山东青岛266033

在深部地下工程中,研发和应用新型金属支护材料越发引起人们的关注与重视,然而关于其在预应力和围岩加载过程中的能量吸收规律和特性尚不清楚,亟待进行相关研究。因此,基于晶体塑性方法,以新型高强高韧锚杆钢为例,比较分析不同金属支护... 详细信息

在深部地下工程中,研发和应用新型金属支护材料越发引起人们的关注与重视,然而关于其在预应力和围岩加载过程中的能量吸收规律和特性尚不清楚,亟待进行相关研究。因此,基于晶体塑性方法,以新型高强高韧锚杆钢为例,比较分析不同金属支护材料的力学和能量吸收特性。同时采用以物理机制为基础的晶体塑性模型,研究不同预应力和围岩加载速率对高强高韧锚杆钢能量吸收特性的影响。研究结果表明,传统金属支护材料在能量吸收密度方面存在发展瓶颈。与传统金属支护材料的能量吸收密度与极限抗拉强度存在倒置关系不同,新型高强高韧锚杆钢在保持高强度(>940 MPa)和较大延伸率(>0.4)的同时,具有极高的能量吸收密度(>3.5×10^(8)J/m^(3)),是现有金属支护材料的3~7倍。晶体塑性模拟结果表明,通过调整预应力和控制围岩加载速率,可以进一步提高锚杆钢的能量吸收能力。例如,通过提高预应力可以快速提高材料的有效能量吸收速率,并能抵抗围岩加载速率的影响。当预应力增加至接近材料的屈服应力且围岩加载速率控制在10-2MPa/s以下时,可以使高强高韧锚杆钢获得最大的有效应变量(>0.54)和最高的有效能量吸收密度(>4.5×10^(8)J/m^(3)),充分发挥高强高韧锚杆钢的能量吸收特性。研究结果为高强高韧锚杆钢在高地应力支护工程上的应用提供理论依据和技术指导。

关键词：岩石力学能量吸收高强高韧锚杆钢围岩大变形预应力加载速率晶体塑性

基于孔间直流电透视的煤层底板采动破坏电阻率时移变化规律与机理

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煤炭学报 2024年第1期49卷 601-615页

作者：岳建华滕小振胡双贵习丹阳张河瑞中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

煤层采动过程中,底板应力状态的改变会产生变形与破坏,而不同煤层采动过程中底板破坏具有一定的规律。目前基于直流电阻率法的煤层底板水害监测主要集中于底板变形与破坏的电阻率响应特征上。为了研究工作面回采过程中煤层底板的电性时... 详细信息

煤层采动过程中,底板应力状态的改变会产生变形与破坏,而不同煤层采动过程中底板破坏具有一定的规律。目前基于直流电阻率法的煤层底板水害监测主要集中于底板变形与破坏的电阻率响应特征上。为了研究工作面回采过程中煤层底板的电性时移变化特征,采用孔间直流电透视观测系统和时移电阻率反射系数法,通过数值模拟和现场试验揭示了煤层底板采动破坏电阻率时移规律。首先,针对典型地电模型,对比单独反演和时移电阻率变化率的结果,验证了孔间直流电透视时移方法的可靠性。然后,针对煤层底板采动破坏,分析了采动过程中底板承压水导升与底板破坏带的电性响应规律与特征,并讨论了时移电阻率反射系数确定煤层底板破坏深度的可行性,为野外施工提供理论依据。最后,通过现场监测试验,获得工作面回采过程中煤层底板的电性变化特征,并采用时移电阻率反射系数R确定了工作面底板岩层的破坏深度为15 m。结果表明:利用孔间直流电透视法获得的煤层底板采动破坏电阻率时移特征可在一定程度上消除了监测数据中的地层因素和随机噪声影响,且时移电阻率反射系数可用来确定煤层底板破坏深度。该方法将探测目标从单一的研究地质异常转换到对煤层采动过程中工作面底板破坏的全生命周期动态监测,进而实现了工作面底板结构破坏的精细刻画。

关键词：时移监测采动破坏孔间直流电透视正演模拟煤层底板

GFRP管夹层灌浆修复锈蚀钢管T形节点有限元分析与承载力计算

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建筑结构学报 2024年第10期45卷 120-130页

作者：常鸿飞严晓宇左文康宋心怡刘宁涛夏军武中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院

为研究GFRP管夹层灌浆(grout-filled GFRP tube, GFGT)修复锈蚀钢管T形节点的受压性能，建立了锈蚀修复节点的有限元模型，并通过已有试验数据验证了其有效性，据此考察了节点几何构造、修复参数和主管端部应力参数对锈蚀修复节点受压... 详细信息

为研究GFRP管夹层灌浆(grout-filled GFRP tube, GFGT)修复锈蚀钢管T形节点的受压性能，建立了锈蚀修复节点的有限元模型，并通过已有试验数据验证了其有效性，据此考察了节点几何构造、修复参数和主管端部应力参数对锈蚀修复节点受压承载力和修复效果的影响规律。参数分析结果表明：GFRP管越厚、修复后主管截面空心率越小、灌浆料强度越高、修复范围越长，GFGT修复效率越高，当支主管直径比为0.4、0.6和0.8,主管锈蚀率为30%时，优化修复参数配置最高可使支管受压承载力提升至未锈蚀状态的138%、147%和156%;主管端部应力对未修复与GFGT修复节点的影响规律一致，且修复后受影响程度更小。采用CIDECT设计指南与规范prEN 1993-1-8:2021中给出的计算方法可准确预测锈蚀受压节点承载力退化率，并通过试验数据验证了采用上述规范公式用于评估节点主管端部应力导致的承载力折减率的可行性，进一步提出了GFGT修复锈蚀圆钢管T形节点的受压承载力计算方法，可用于评估锈蚀率30%以内的修复节点受压承载力。

关键词：圆钢管节点 GFRP管锈蚀灌浆有限元分析承载力计算