地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)地震動(dòng)響應(yīng)特性研究

我國(guó)水利水電大型地下廠房多建在地震高發(fā)的西南地區(qū)，研究地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)地震動(dòng)響應(yīng)特性，對(duì)地下廠房運(yùn)行的安全評(píng)估具有重要意義。本項(xiàng)目依托已建大型地下廠房設(shè)計(jì)資料，采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M、理論分析、數(shù)值分析相結(jié)合的研究方法，研究地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)的地震動(dòng)響應(yīng)特性，圍繞柔性支護(hù)的作用機(jī)理、力學(xué)模型、地震動(dòng)響應(yīng)、高效算法和安全評(píng)價(jià)等方面展開研究。經(jīng)歷四年的努力，取得的主要成果有：（1）基于柔性支護(hù)加固圍巖的作用機(jī)理，建立了錨桿的復(fù)合錨固單元模型，揭示了地震動(dòng)荷載在圍巖與柔性支護(hù)的相互作用機(jī)理。建立了錨桿和圍巖協(xié)同變形的力學(xué)模型，建立了考慮錨桿沿程應(yīng)力、錨桿受剪切作用和巖錨吊車梁涂瀝青段的數(shù)值分析模型。（2）提出“開源節(jié)流”的高效計(jì)算優(yōu)化思路，構(gòu)建了基于計(jì)算機(jī)集群和CPU/GPU異構(gòu)的高效并行平臺(tái)。針對(duì)柔性支護(hù)與圍巖的相互作用特性，構(gòu)建地下洞室柔性支護(hù)抗震計(jì)算數(shù)值分析平臺(tái)。（3）研究了地震作用下錨桿應(yīng)力的響應(yīng)過程，及錨桿和圍巖的接觸界面、錨頭界面的損傷過程，揭示地震災(zāi)變中柔性支護(hù)和圍巖的損傷演化規(guī)律。（4）研究了不同的錨固參數(shù)組合下，柔性支護(hù)的地震動(dòng)破壞機(jī)制、破壞過程及破壞形式，揭示了柔性支護(hù)加固圍巖的抗震機(jī)理，提出了柔性支護(hù)抗震設(shè)防的建議。在本項(xiàng)目資助下，在《Computers and Geotechnics》、《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》、《Shock and Vibration》、《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》、《巖土力學(xué)》等期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文22篇，其中SCI收錄8篇，EI收錄14篇。培養(yǎng)博士研究生13人，碩士研究生15人。取得的相關(guān)研究成果完善了地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算基本理論，同時(shí)為地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)的抗震設(shè)計(jì)提供理論支撐。 2100433B

地下廠房洞室一般采用柔性支護(hù)。目前柔性支護(hù)都是采用工程類比法按靜力狀態(tài)設(shè)計(jì)，其地震動(dòng)響應(yīng)的影響缺乏理論指導(dǎo)和相應(yīng)研究。我國(guó)大部分大型地下廠房建在地震高發(fā)的西南地區(qū)，研究地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)地震動(dòng)響應(yīng)特性，對(duì)地下廠房運(yùn)行的安全評(píng)估理論具有重要意義。本項(xiàng)目依托已建大型地下廠房設(shè)計(jì)資料，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、理論分析、數(shù)值計(jì)算等手段，研究圍巖與柔性支護(hù)地震動(dòng)響應(yīng)聯(lián)合作用機(jī)理，建立圍巖與柔性支護(hù)動(dòng)力聯(lián)合作用模型；研究柔性支護(hù)巖體地震波折射、反射波疊加特性，分析柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖動(dòng)響應(yīng)損傷演化規(guī)律；研究高效有限元并行計(jì)算方法，開發(fā)地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)地震動(dòng)響應(yīng)高效計(jì)算平臺(tái)；研究地震動(dòng)響應(yīng)的時(shí)效和耗散能累積突變理論，建立地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)地震動(dòng)響應(yīng)安全評(píng)價(jià)體系。通過研究，為大型地下廠房的抗震安全運(yùn)行和生命周期的評(píng)估提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。該項(xiàng)研究成果不僅具有重要的理論意義，對(duì)工程設(shè)計(jì)也具有重大的指導(dǎo)意義。

柔性支護(hù)指能密貼圍巖或深入到巖體內(nèi)部，有效地發(fā)揮圍巖自承能力，允許圍巖有一定變形而不破壞，甚至同被加固的巖體作整體運(yùn)動(dòng)時(shí)仍能保證相當(dāng)大支護(hù)抗力的支護(hù)措施。

學(xué)科：坑探工程

詞目：柔性支護(hù)

英文：flexible support

釋文：包括錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)及噴錨（網(wǎng)）復(fù)合支護(hù)等。 2100433B

課題以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建設(shè)為背景；針對(duì)深部土體特性、土與地下結(jié)構(gòu)接觸面物理、力學(xué)特征以及地下工程力學(xué)行為，采用試樣試驗(yàn)、細(xì)觀測(cè)試、基于離散元法的顆粒流數(shù)值模擬技術(shù)及理論分析等綜合研究方法；考慮土體性質(zhì)、接觸面曲率、結(jié)構(gòu)材料剛度、接觸面粗糙度以及荷載性質(zhì)等諸因素；應(yīng)用超聲掃描顯微（C-SAM）、液氮快速凍結(jié)固樣、三維視頻顯微、顆粒級(jí)配分析等細(xì)觀物理特征測(cè)試技術(shù)和方法；深入研究接觸面和界面層的幾何特征、界面層內(nèi)土體的細(xì)觀物理現(xiàn)象、接觸面和界面層的宏觀力學(xué)行為以及三者之間的關(guān)系；研究土性、結(jié)構(gòu)面特征以及荷載條件等因素對(duì)界面層物理、力學(xué)性質(zhì)的影響及其規(guī)律；建立深部土與地下結(jié)構(gòu)接觸面，特別是界面層的本構(gòu)關(guān)系，基本闡明深部土與地下結(jié)構(gòu)相互作用界面層形成機(jī)理、基本性質(zhì)、影響因素及其力學(xué)效應(yīng)等基礎(chǔ)理論問題，為深入研究深部土與地下工程結(jié)構(gòu)相互作用的宏觀規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

項(xiàng)目以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建設(shè)中的土-結(jié)構(gòu)相互作用問題為背景，針對(duì)土-結(jié)構(gòu)接觸面及界面層物理、力學(xué)特性，開展了大量的試樣試驗(yàn)、數(shù)值模擬及理論分析工作。在理論上克服了經(jīng)典理論中統(tǒng)計(jì)平均值不能如實(shí)反映材料在相當(dāng)小體積上的強(qiáng)度和變形急劇不連續(xù)變化的缺陷，建立了在傳統(tǒng)塑性理論框架內(nèi)考慮微結(jié)構(gòu)之間的相互作用和應(yīng)變梯度效應(yīng)的接觸面本構(gòu)方程。首次研發(fā)了可考慮不同結(jié)構(gòu)面曲率的土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗(yàn)系統(tǒng)以及異形土樣制備器，彌補(bǔ)了常規(guī)直剪儀只能用于研究相對(duì)低應(yīng)力條件下土與平面結(jié)構(gòu)相互作用的不足。采用C 語言設(shè)計(jì)開發(fā)了基于面向?qū)ο蟮脑囼?yàn)過程控制、數(shù)據(jù)采集及后處理軟件，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過程的自動(dòng)化和可視化。采用自行研制的土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了大量不同性質(zhì)的土與不同曲率、不同粗糙度結(jié)構(gòu)面在不同法向應(yīng)力條件下的相互作用試驗(yàn)，得到了不同法向壓力條件下土-結(jié)構(gòu)接觸面及界面層的物理力學(xué)特性及其受結(jié)構(gòu)面曲率、粗糙度及土性等因素的影響規(guī)律。當(dāng)法向應(yīng)力σ≤3.2MPa時(shí)，剪切強(qiáng)度隨結(jié)構(gòu)面曲率的增加而增大，即具有明顯的曲率效應(yīng)，隨著法向應(yīng)力的增加，曲率效應(yīng)逐漸弱化直至消失。結(jié)構(gòu)面粗糙度與土顆粒平均粒徑的比值即相對(duì)粗糙度對(duì)不同法向壓力下的接觸面及界面層物理力學(xué)特性有顯著影響，剪切強(qiáng)度與相對(duì)粗糙度關(guān)系曲線呈“三段”式，存在極限相對(duì)粗糙度 與穩(wěn)定相對(duì)粗糙度 兩個(gè)拐點(diǎn)。當(dāng)相對(duì)粗糙度小于極限相對(duì)粗糙度時(shí)，剪切強(qiáng)度隨相對(duì)粗糙度的增加而增大；而當(dāng)相對(duì)粗糙度大于穩(wěn)定相對(duì)粗糙度時(shí)，剪切強(qiáng)度基本不再隨相對(duì)粗糙度的增加而變化。顆粒流數(shù)值模擬中對(duì)PFC2D進(jìn)行了二次研發(fā)，對(duì)具有相同參數(shù)的顆粒試樣采用半徑擴(kuò)大法、重力沉積法及分層振動(dòng)法三種不同制樣方法獲得的試樣孔隙比進(jìn)行比較，結(jié)果表明，半徑擴(kuò)大法可獲得孔隙比分布范圍最廣的數(shù)值試樣，而分層振動(dòng)法獲得的孔隙比分布范圍最小。通過對(duì)土-結(jié)構(gòu)剪切過程顆粒分層比較，分析了每層顆粒的平均水平行程和豎向變位，獲得了不同試驗(yàn)條件下土與結(jié)構(gòu)面剪切的界面層厚度。模擬結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)面相對(duì)粗糙度、結(jié)構(gòu)面鋸齒角度是影響界面層厚度的主要因素：界面層厚度隨相對(duì)粗糙度的增大呈現(xiàn)先增大后減小，隨鋸齒傾角的增加呈非線性增大。課題研究大大深化了對(duì)土-結(jié)構(gòu)相互作用細(xì)觀機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量控制以及工程災(zāi)害的預(yù)測(cè)與治理提供了借鑒與指導(dǎo)，具有重要的理論意義及工程應(yīng)用價(jià)值。 2100433B