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动静组合加载下锚固裂隙岩体的止裂与吸能机理

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东南大学学报（自然科学版） 2024年第6期54卷 1418-1424页

作者：韩凤岩余东峰陈瑜黄林冲徐志胜中南大学土木工程学院长沙410075 隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室广州510275 中山大学土木工程学院广州510275

为研究锚杆对深部含裂隙岩体的锚固止裂效应,进行了不同冲击气压下的动静组合加载试验.基于优化的锚杆界面力学模型,建立了新型有限差分法-离散元法(FDM-DEM)耦合数值分离式霍普金森杆系统及锚杆模型.对裂隙岩体和锚固裂隙岩体的力学特... 详细信息

为研究锚杆对深部含裂隙岩体的锚固止裂效应,进行了不同冲击气压下的动静组合加载试验.基于优化的锚杆界面力学模型,建立了新型有限差分法-离散元法(FDM-DEM)耦合数值分离式霍普金森杆系统及锚杆模型.对裂隙岩体和锚固裂隙岩体的力学特性、能量耗散及破坏特征进行了研究,并从细观能量耗散角度阐述了锚杆在动荷载下对裂隙岩体的锚固机理.结果表明:裂隙岩体和锚固裂隙岩体的动态抗压强度随冲击气压的增大而增加,锚杆对裂隙岩体的锚固效应可提高动态抗压强度,减小裂隙岩体的冲击后破坏程度,锚固裂隙岩体能量吸收率变化规律趋同于完整岩体;从细观角度分析,锚杆加固使得裂隙岩体的摩擦滑移耗散能和破坏后碎块携带动能降低,整体吸收能量减少.

关键词：动静组合加载裂隙岩石力学特性锚固机理有限差分法-离散元法(FDM-DEM)耦合

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岩爆机制及其控制

隧道建设（中英文） 2024年第7期44卷 1321-1336,I0005-I0020页

作者：何满潮李杰宇刘冬桥陶志刚胡杰王炯中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室北京100083

随着岩体工程向深部发展,开挖引发的围岩大变形和强冲击诱发的动力破坏日益严峻。岩爆作为深部地下工程中常见的一种强动力灾害,被称为岩土工程界的“癌症”,其具有突发性特点,难以有效预报及防治,严重地威胁着施工人员的安全和设备的... 详细信息

随着岩体工程向深部发展,开挖引发的围岩大变形和强冲击诱发的动力破坏日益严峻。岩爆作为深部地下工程中常见的一种强动力灾害,被称为岩土工程界的“癌症”,其具有突发性特点,难以有效预报及防治,严重地威胁着施工人员的安全和设备的正常运行。通过对比岩石在真三轴卸荷和单轴压缩这2种应力路径下的储能差异,对岩爆多余能量机制进行探讨。首先,根据岩爆诱发机制的不同,将岩爆分为由应力集中导致的应变型岩爆和扰动诱发的冲击岩爆。然后,模拟开挖诱发的不同类型岩爆的应力路径进而在室内再现各种岩爆现象,并对其机制进行研究,自主研发3套真三轴岩爆模拟试验系统:第1代应变岩爆试验系统、第2代应变岩爆试验系统、冲击岩爆试验系统。同时,在实验室内成功模拟不同类型的岩爆:巷道应变岩爆、巷道交叉点应变岩爆、3个临空面矿柱应变岩爆、矿柱应变岩爆以及动荷载诱发的冲击岩爆。最后,为有效控制岩爆灾害,提出开挖补偿法,并研发具有负泊松比效应的宏观和微观NPR锚杆/索。工程实践证明,NPR锚杆/索能提供高预应力来补偿开挖造成的应力损失,同时具备良好的延展性和吸能效果,可为岩爆灾害的防治提供有效途径。

关键词：岩爆机制岩爆试验多余能量岩爆分类岩爆控制开挖补偿法 NPR锚杆/索

基于Pasternak地基的浅埋偏压隧道管棚超前支护理论模型研究

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：杨宏伟徐郑皓黄林冲林存刚中山大学土木工程学院隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室

管棚超前支护是控制隧道开挖过程中围岩变形与地表沉降的有效手段，常用于浅埋偏压隧道。目前针对管棚支护设计的理论模型普遍基于无偏压工况，因此无法准确描述浅埋偏压工况下管棚的力学响应。本文针对隧道开挖过程中的浅埋偏压工况，... 详细信息

管棚超前支护是控制隧道开挖过程中围岩变形与地表沉降的有效手段，常用于浅埋偏压隧道。目前针对管棚支护设计的理论模型普遍基于无偏压工况，因此无法准确描述浅埋偏压工况下管棚的力学响应。本文针对隧道开挖过程中的浅埋偏压工况，基于Pasternak双参数地基模型，通过修正浅埋偏压工况下的隧道上覆围岩压力，建立了管棚纵向内力和变形计算方程，进而提出了考虑浅埋偏压工况的管棚超前支护理论模型。本文考虑了两种不同计算隧道上覆围岩压力的方法，即“规范修正法”与“经验公式法”，基于后者的管棚内力和变形的理论预测值相较于前者放大了地形偏压特性对管棚力学行为的影响。相比传统管棚计算模型，所提模型可进一步探究地形偏压角、隧道开挖宽度、岩土内摩擦角等参数对管棚变形和内力的影响。采用文献中有限的实际工程监测进行对比，理论模型计算结果的最大值与监测结果最大值较为一致，验证了所提模型的合理性。参数分析探究了偏压角、管棚布设间距和管径大小对管棚内力和变形的影响。结果表明管棚内力和变形与偏压角正相关，考虑偏压工况所计算的管棚内力和变形量更大，即偏压工况对基于无偏压工况的管棚支护设计具有不利影响。如果采用基于无偏压工况所提出的设计方法设计偏压工况下管棚支护参数，需要适当增大安全系数。本文研究结果可为优化浅埋偏压隧道管棚支护方案提供理论依据。

关键词：隧道工程浅埋偏压管棚超前支护 Pasternak地基模型

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玄武岩纤维改良土应变速率效应试验研究

应用基础与工程科学学报 2024年第3期32卷 850-859页

作者：牛巍崴刘建坤郑媛媛任志凤中山大学土木工程学院广东广州510275 沈阳工学院能源与水利学院辽宁沈阳113122 隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室广东广州510275

为深入研究不同加载速率对玄武岩纤维改良土力学性质的影响,以掺入0.25%、0.5%和0.75%玄武岩纤维的青藏高原粉质黏土为研究对象,对改良土进行不同围压、不同应变速率下的不固结不排水三轴试验,分析在不同的纤维掺量、不同的应变速率下... 详细信息

为深入研究不同加载速率对玄武岩纤维改良土力学性质的影响,以掺入0.25%、0.5%和0.75%玄武岩纤维的青藏高原粉质黏土为研究对象,对改良土进行不同围压、不同应变速率下的不固结不排水三轴试验,分析在不同的纤维掺量、不同的应变速率下改良土的应力-应变关系、破坏强度及抗剪强度指标的变化规律.研究结果表明:改良土的应变速率效应与土骨架自身的黏滞性和固结程度等因素有关;改良土在不同围压和加载速率下,其应力-应变关系均呈应变硬化特性;破坏强度和抗剪强度随加载速率的增加并不是呈现单调增大趋势,而是存在明显的临界点;纤维含量越高,应变速率对破坏强度的影响程度越显著.综上分析得出应变速率对改良土各力学参数的影响规律,可为今后工程应用提供技术参考.

关键词：路基工程应变速率玄武岩纤维改良土三轴试验抗剪强度应力-应变曲线

基于多重分形理论的花岗岩岩爆试验声发射信号特征研究

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采矿与安全工程学报 2024年第5期41卷 934-945页

作者：祁浩李春晓李长祺隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

运用声发射系统采集不同中主应力条件下花岗岩岩爆试验过程中的声发射信号,分析岩爆破坏过程和岩爆时刻竖向应力及声发射振铃计数水平,运用多重分形理论分析竖向应力快速加载至岩爆结束过程中声发射振铃计数在时域上的分布特征。研究结... 详细信息

运用声发射系统采集不同中主应力条件下花岗岩岩爆试验过程中的声发射信号,分析岩爆破坏过程和岩爆时刻竖向应力及声发射振铃计数水平,运用多重分形理论分析竖向应力快速加载至岩爆结束过程中声发射振铃计数在时域上的分布特征。研究结果表明:中主应力水平越高,岩爆破坏越剧烈,岩爆时刻竖向应力水平趋于稳定,竖向应力快速加载阶段的累计声发射振铃计数有所提升;竖向应力不断提升,声发射振铃计数多重分形谱形态呈现宽—窄—宽的变化趋势,多重分形谱宽总体呈先降后增,提取谱宽平滑曲线中先降后增的转折点进行岩爆预警,发现中主应力越高,岩爆预警时间越长,岩爆突发性有所下降;越接近岩爆,广义分形谱的非线性逐渐减弱,在岩爆发生阶段又有所凸显,且中主应力越高,声发射振铃计数在时域上的分布越均匀。该研究表明高中主应力和竖向应力快速增加可提高岩爆过程中裂纹连续扩展行为的活跃度。

关键词：岩爆试验中主应力声发射多重分形特征岩爆预警

瞬变电磁接收线圈响应过程分析: 以阻尼比与谐振频率为例

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地球物理学报 2024年第11期67卷 4360-4371页

作者：孙怀凤许伟强张诺亚柳尚斌刘锐刘玉超周正山东大学隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室济南250061 山东大学岩土与地下工程研究院济南250061

以电磁感应为原理的接收线圈是测量瞬变电磁信号的核心器件, 研究其响应特性对于瞬变电磁装备研发与校准具有重要意义.本文基于空心线圈的传感器方程与瞬变电磁的理论信号, 分析了阻尼比与谐振频率这两个关键参数对瞬变电磁感应线圈响... 详细信息

以电磁感应为原理的接收线圈是测量瞬变电磁信号的核心器件, 研究其响应特性对于瞬变电磁装备研发与校准具有重要意义.本文基于空心线圈的传感器方程与瞬变电磁的理论信号, 分析了阻尼比与谐振频率这两个关键参数对瞬变电磁感应线圈响应过程的影响规律, 并给出了选取建议.在讨论阻尼比选取的过程中提出了两种定量计算方法, 首先计算了纯二次场接收时间中不同阻尼比的累计积分误差, 发现在阻尼比取0.6411时整体积分误差最小;但考虑到瞬变电磁方法观测信号应尽早摆脱震荡达到稳定输出的特点, 又引入了线圈响应值与理论值的比值η曲线以及稳定截止时间参数tc, 比较不同阻尼比下进入稳定输出的时间点, 发现能够最早达到稳定输出的阻尼比为0.9118, 并将其作为本文的阻尼比选取建议.针对线圈谐振频率, 通过对比不同谐振频率下的线圈输出曲线发现随着线圈谐振频率增加, 输出曲线的响应速度与完成震荡过程的速度均会提升, 可以提前到达稳定截止时间, 能够提前观测瞬变电磁有效信号.还发现随着谐振频率的增加, 曲线的响应速度不断加快, 且线圈中接收到的能量随之增加, 但通过提高线圈谐振频率来提升响应速度或者增加接收能量都存在明显的边际递减效应, 因此建议线圈谐振频率设置在增速拐点之上以保证线圈的综合性能.本文研究对瞬变电磁接收线圈传感器设计具有参考价值.

关键词：瞬变电磁空芯线圈阻尼比谐振频率

卸载速率对花岗岩岩爆破坏及能量特征影响的FDEM研究

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采矿与安全工程学报 2024年第6期41卷 1254-1266页

作者：祁浩李德建李春晓李长祺隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

运用图像处理技术和有限元-离散元耦合方法(FDEM),构建了考虑矿物非均质的二维岩爆试验数值模型,参照岩爆试验加卸载方式和边界条件,模拟不同卸载速率条件下花岗岩岩爆试验,分析模型失稳破坏过程、裂纹扩展和能量转化特征,探究卸载速率... 详细信息

运用图像处理技术和有限元-离散元耦合方法(FDEM),构建了考虑矿物非均质的二维岩爆试验数值模型,参照岩爆试验加卸载方式和边界条件,模拟不同卸载速率条件下花岗岩岩爆试验,分析模型失稳破坏过程、裂纹扩展和能量转化特征,探究卸载速率对花岗岩岩爆特征的影响机制。研究结果表明:卸载速率越小,模型和试件破坏程度越低,动态破坏现象越不明显。卸载速率越低,裂纹扩展多发生于卸载过程中,并趋于30°~50°倾向扩展,张拉和拉剪混合裂纹占比减少,剪切裂纹占比增加,模型呈宏观剪切破坏。在失稳破坏阶段,上部加载板向模型输入大量的外力做功,可释放变形能全部释放,导致耗散能和动能突增,当卸载速率小于门槛值(1 MPa/时步)时,外力做功和动能水平明显下降,而耗散能水平略微提升,不同的能量变化率有所降低,能有效降低岩爆的突发性。

关键词：非均质数值模型 FDEM 卸载速率岩爆试验裂纹扩展能量转化

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液化诱发剪切应变局部化的近场动力学模拟

岩土力学 2024年第10期45卷 3130-3138页

作者：孙伟王睿张建民中山大学土木工程学院广东珠海519082 隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室广东广州510275 清华大学水利水电工程系北京100084 清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室北京100084

在含有低渗透性土层的可液化地基中,液化引起的超静孔压累积和重分布可能导致孔隙水集中至低渗透性土层底局部区域,从而引发剪切应变局部化和延迟破坏现象。引入一种正则化技术——非局部近场动力学(peridynamics,简称PD)理论来模拟此... 详细信息

在含有低渗透性土层的可液化地基中,液化引起的超静孔压累积和重分布可能导致孔隙水集中至低渗透性土层底局部区域,从而引发剪切应变局部化和延迟破坏现象。引入一种正则化技术——非局部近场动力学(peridynamics,简称PD)理论来模拟此类现象,以克服采用经典有限元方法(finite element method,简称FEM)模拟应变局部化时通常具有的网格依赖性问题。计算模型采用PD和FEM分别模拟固相和流体相,并使用砂土液化大变形本构模型(CycLiq)模拟可液化砂土。在验证了所提出方法的有效性后,使用多种不同离散密度的计算模型,分析了具有低渗透性夹层的一维倾斜场地的地震响应。从理论和数值上,说明了所提出的方法在模拟液化引起的剪切应变局部化时,可以消除网格依赖性。同时参数分析表明,相同条件下,低渗透性夹层位置越高,夹层渗透系数相比砂层越小,则地基因剪切应变局部化产生的侧向位移量越大。

关键词：液化地震剪切应变局部化延迟破坏近场动力学

装配式地铁车站CHC型钢-混凝土组合接头的力学行为分析

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现代隧道技术 2024年第5期61卷 62-70页

作者：郭成祥张燕丽黄林冲韩冰吕文华梁禹中铁十四局集团隧道工程有限公司济南250000 隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室广州510000 中山大学·深圳航空航天学院深圳518107 中山大学土木工程学院珠海519000

装配式地铁车站在不确定性的施工荷载与环境荷载联合作用下,其接头弯曲刚度表现出明显非线性特征,进而使接头受力和变形演化过程复杂化。为揭示装配式地铁车站CHC(C型钢+H型钢+C型钢)型钢-混凝土组合接头在轴力和弯矩共同作用下的弯曲... 详细信息

装配式地铁车站在不确定性的施工荷载与环境荷载联合作用下,其接头弯曲刚度表现出明显非线性特征,进而使接头受力和变形演化过程复杂化。为揭示装配式地铁车站CHC(C型钢+H型钢+C型钢)型钢-混凝土组合接头在轴力和弯矩共同作用下的弯曲变形发展规律,提出一种包含5种弯曲模式的新型接头力学模型。通过求解不同弯曲模式下接头变形及其发展规律,讨论各弯曲模式的应变区域分布及其识别方法;最后结合力学模型以及监测数据,获取环向接头受力的时空分布特征。结果表明:装配式地铁车站接头截面的轴力计算值在0~30 MN之间,弯矩计算值在-3~2 MN·m之间,接头大部分处于弯曲模式Ⅰ,其整体结构力学的响应对施工荷载和覆土回填等影响因素更为敏感。

关键词：装配式地铁车站型钢-混凝土组合接头弯曲模式识别非线性特征内力分析