地下結構柔性支護地震動響應特性研究項目摘要

地下廠房洞室一般采用柔性支護。目前柔性支護都是采用工程類比法按靜力狀態(tài)設計，其地震動響應的影響缺乏理論指導和相應研究。我國大部分大型地下廠房建在地震高發(fā)的西南地區(qū)，研究地下結構柔性支護地震動響應特性，對地下廠房運行的安全評估理論具有重要意義。本項目依托已建大型地下廠房設計資料，采用現(xiàn)場調查、實驗模擬、理論分析、數(shù)值計算等手段，研究圍巖與柔性支護地震動響應聯(lián)合作用機理，建立圍巖與柔性支護動力聯(lián)合作用模型；研究柔性支護巖體地震波折射、反射波疊加特性，分析柔性支護結構和圍巖動響應損傷演化規(guī)律；研究高效有限元并行計算方法，開發(fā)地下結構柔性支護地震動響應高效計算平臺；研究地震動響應的時效和耗散能累積突變理論，建立地下結構柔性支護地震動響應安全評價體系。通過研究，為大型地下廠房的抗震安全運行和生命周期的評估提供理論依據(jù)和技術支持。該項研究成果不僅具有重要的理論意義，對工程設計也具有重大的指導意義。

我國水利水電大型地下廠房多建在地震高發(fā)的西南地區(qū)，研究地下結構柔性支護地震動響應特性，對地下廠房運行的安全評估具有重要意義。本項目依托已建大型地下廠房設計資料，采用實驗模擬、理論分析、數(shù)值分析相結合的研究方法，研究地下結構柔性支護的地震動響應特性，圍繞柔性支護的作用機理、力學模型、地震動響應、高效算法和安全評價等方面展開研究。經(jīng)歷四年的努力，取得的主要成果有：（1）基于柔性支護加固圍巖的作用機理，建立了錨桿的復合錨固單元模型，揭示了地震動荷載在圍巖與柔性支護的相互作用機理。建立了錨桿和圍巖協(xié)同變形的力學模型，建立了考慮錨桿沿程應力、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”的高效計算優(yōu)化思路，構建了基于計算機集群和CPU/GPU異構的高效并行平臺。針對柔性支護與圍巖的相互作用特性，構建地下洞室柔性支護抗震計算數(shù)值分析平臺。（3）研究了地震作用下錨桿應力的響應過程，及錨桿和圍巖的接觸界面、錨頭界面的損傷過程，揭示地震災變中柔性支護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，柔性支護的地震動破壞機制、破壞過程及破壞形式，揭示了柔性支護加固圍巖的抗震機理，提出了柔性支護抗震設防的建議。在本項目資助下，在《Computers and Geotechnics》、《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》、《Shock and Vibration》、《巖石力學與工程學報》、《巖土力學》等期刊上發(fā)表學術論文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。取得的相關研究成果完善了地下結構抗震計算基本理論，同時為地下結構柔性支護的抗震設計提供理論支撐。 2100433B

柔性支護指能密貼圍巖或深入到巖體內部，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動時仍能保證相當大支護抗力的支護措施。

學科：坑探工程

詞目：柔性支護

英文：flexible support

釋文：包括錨桿支護、噴射混凝土支護及噴錨（網(wǎng)）復合支護等。 2100433B

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

項目以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建設中的土-結構相互作用問題為背景，針對土-結構接觸面及界面層物理、力學特性，開展了大量的試樣試驗、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)計平均值不能如實反映材料在相當小體積上的強度和變形急劇不連續(xù)變化的缺陷，建立了在傳統(tǒng)塑性理論框架內考慮微結構之間的相互作用和應變梯度效應的接觸面本構方程。首次研發(fā)了可考慮不同結構面曲率的土-結構相互作用試驗系統(tǒng)以及異形土樣制備器，彌補了常規(guī)直剪儀只能用于研究相對低應力條件下土與平面結構相互作用的不足。采用C 語言設計開發(fā)了基于面向對象的試驗過程控制、數(shù)據(jù)采集及后處理軟件，實現(xiàn)了試驗過程的自動化和可視化。采用自行研制的土-結構相互作用試驗系統(tǒng)，進行了大量不同性質的土與不同曲率、不同粗糙度結構面在不同法向應力條件下的相互作用試驗，得到了不同法向壓力條件下土-結構接觸面及界面層的物理力學特性及其受結構面曲率、粗糙度及土性等因素的影響規(guī)律。當法向應力σ≤3.2MPa時，剪切強度隨結構面曲率的增加而增大，即具有明顯的曲率效應，隨著法向應力的增加，曲率效應逐漸弱化直至消失。結構面粗糙度與土顆粒平均粒徑的比值即相對粗糙度對不同法向壓力下的接觸面及界面層物理力學特性有顯著影響，剪切強度與相對粗糙度關系曲線呈“三段”式，存在極限相對粗糙度 與穩(wěn)定相對粗糙度 兩個拐點。當相對粗糙度小于極限相對粗糙度時，剪切強度隨相對粗糙度的增加而增大；而當相對粗糙度大于穩(wěn)定相對粗糙度時，剪切強度基本不再隨相對粗糙度的增加而變化。顆粒流數(shù)值模擬中對PFC2D進行了二次研發(fā)，對具有相同參數(shù)的顆粒試樣采用半徑擴大法、重力沉積法及分層振動法三種不同制樣方法獲得的試樣孔隙比進行比較，結果表明，半徑擴大法可獲得孔隙比分布范圍最廣的數(shù)值試樣，而分層振動法獲得的孔隙比分布范圍最小。通過對土-結構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，獲得了不同試驗條件下土與結構面剪切的界面層厚度。模擬結果表明，結構面相對粗糙度、結構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土-結構相互作用細觀機理的認識，為地下結構的設計、施工、質量控制以及工程災害的預測與治理提供了借鑒與指導，具有重要的理論意義及工程應用價值。 2100433B