提高锚固洞室抗爆能力技术措施研究

论文摘要

在现代战争中,随着科学技术的发展,常规钻地武器的精度越来越高,钻地越来越深,更为重要的是电子技术越来越成熟,许多防护工程面临直接命中打击的威胁。因此,通过研究常规钻地武器对锚固洞室侵彻爆炸作用,开展如何提高锚固洞室抗爆能力技术措施研究,对提高防护工程防护能力具有重要的现实意义和战略意义。本文主要是利用地质力学模型试验,并结合数值模拟分析及理论分析研究了提高锚固洞室抗爆能力的技术措施和有关力学问题,主要研究成果如下:(1)根据岩土工程抗爆试验研究实际需求,研制了性能优良的岩土工程抗爆结构模型试验装置;结合实际工程情况和主要假设,根据模型试验技术的相似原理,选择合理比例系数,确定材料的相似比例,选定相似材料;并从模型成型过程和测试技术等方面,确保了抗爆模型试验成功。(2)通过对比锚固洞室的动态破坏形态,研究了锚杆密度、锚杆长度和长短锚杆组合形式对锚固洞室的抗爆能力影响,研究发现:锚杆密度对锚固洞室的抗爆能力影响较大,而当锚杆密度小到一定程度时,锚杆长度对阻止围岩断裂缝的生成与发展影响不大,提高锚固洞室的抗爆能力不明显;在拱脚局部加长的锚杆支护可以阻止围岩裂缝穿过加长锚杆,并明显地减轻了围岩断裂缝的开裂程度,有效地提高了锚固洞室的抗爆能力。这对寻找提高锚固洞室抗爆能力技术措施具有重要启迪作用。(3)通过抗爆模型试验,得到了爆炸荷载作用下洞室的拱顶垂直压力、洞室顶底板相对位移、洞壁表面应变、顶底板加速度波形曲线;根据所测波形的峰值,拟合得出它们与比例距离的关系曲线及公式,为洞室抗爆设计与施工提供了依据。(4)首次较系统地完成了两种超常规锚杆支护(即全锚固洞室端部加密锚杆支护和端部消波锚杆支护)洞室抗爆能力研究,通过与普通加密锚杆支护洞室的抗爆能力进行比较,证明了这两种超常规锚杆支护洞室能够明显减小顶底板相对位移,使锚固洞室围岩破坏程度大大减轻,进一步提高锚固洞室的抗爆能力。(5)取自室内模型试验尺寸及材料参数,以模型试验中部分拱顶、拱腰和侧墙锚杆的轴向应变时程曲线为基础,利用数值模拟方法研究了锚杆的动态响应及加固机理,得到了锚杆轴向应力峰值分布规律;同时,利用数值模拟研究了两种超常规锚杆支护模型的加密和消波部分弹性模量和厚度对洞室的抗爆能力影响,结果表明:①随着加密部分的弹性模量增加,拱顶位移越来越小,但变化率越来越低,建议在长锚杆中间加1～2排效果较好;锚杆端部消波模型是随着消波部分弹性模量的减小,位移越来越小,并且变化很明显,即锚杆端部钻孔面积越大,效果越明显;②两种模型的加密和消波部分随着厚度的增大,位移越来越小,但变化越来越缓慢,尤其消波部分厚度变化对提高洞室抗爆能力效果更小,为提高锚固洞室抗爆能力提供了科学指南。(6)参考模型试验,利用弹性波的函数展开法求解了爆炸应力波绕洞室的散射问题,得到了P波的入射角、频率和洞室的洞径对动应力集中及振动加速度的影响规律,为爆炸动载作用下洞室围岩的有效加固指明了方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 问题提出
• 1.2 提高锚固洞室抗爆能力技术措施的研究现状
• 1.2.1 物理模型和原型试验研究
• 1.2.2 理论分析
• 1.2.3 数值计算
• 1.3 锚杆的动态响应研究现状
• 1.4 目前研究存在的问题和不足
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 在爆炸荷载作用下模型试验技术
• 2.1 模型试验技术内容
• 2.1.1 相似原理
• 2.1.2 相似要求
• 2.1.3 主要假设
• 2.1.4 材料和相似比例的选取
• 2.1.5 试验装置
• 2.1.6 模型制作方法
• 2.1.6.1 夯实成型方法
• 2.1.6.2 模型层面、节理面施工方法
• 2.1.6.3 洞室开挖技术
• 2.1.7 测试技术
• 2.1.8 测试内容
• 2.2 本章小结
• 第3章 锚固洞室抗爆能力对比模型试验研究
• 3.1 试验内容
• 3.2 模型布置及材料选取
• 3.3 在爆炸荷载作用下锚固洞室破坏形态对比
• 3.3.1 普通锚杆支护洞室
• 3.3.2 加密、加长锚杆支护洞室
• 3.3.3 长短锚杆组合形式支护洞室
• 3.4 本章小结
• 第4章 提高锚固洞室抗爆能力模型试验研究
• 4.1 拱部锚杆端部加密模型抗爆能力试验研究
• 4.1.1 对比试验的目的和内容
• 4.1.2 试验模型建立
• 4.1.2.1 试验模型及材料选取
• 4.1.2.2 试验方法
• 4.1.2.3 试验内容
• 4.1.3 试验结果的分析与比较
• 4.1.3.1 洞室拱顶测点应力的分析
• 4.1.3.2 洞室顶底相对位移的分析与比较
• 4.1.3.3 洞壁测点应变的分析与比较
• 4.1.3.4 洞室顶底板加速度的分析与比较
• 4.1.3.5 洞室围岩的宏观破坏形态分析与比较
• 4.2 端部加密和消波锚杆模型抗爆能力试验研究
• 4.2.1 对比试验的目的和内容
• 4.2.2 试验方案
• 4.2.3 测点布置
• 4.2.4 试验步骤
• 4.2.5 试验结果分析
• 4.2.5.1 洞室拱顶测点应力的分析与比较
• 4.2.5.2 洞室顶底板相对位移的分析与比较
• 4.2.5.3 洞壁测点应变的分析与比较
• 4.2.5.4 洞室顶底板加速度的分析与比较
• 4.2.5.5 洞室破坏程度分析与对比
• 4.3 本章小结
• 第5章 锚固洞室抗爆能力数值模拟研究
• 5.1 LS-DYNA3D程序简介
• 5.2 数值分析的理论基础
• 5.3 锚杆动态响应及加固机理研究
• 5.3.1 拱部锚杆端部加密动态响应试验研究
• 5.3.1.1 锚杆布置形式
• 5.3.1.2 锚杆动态响应分析
• 5.3.2 端部加密和消波锚杆动态响应试验研究
• 5.3.2.1 锚杆的布置形式
• 5.3.2.2 锚杆的动态响应分析
• 5.3.3 锚杆动态响应数值模拟分析
• 5.3.3.1 数值模型的设计
• 5.3.3.2 模拟过程及边界条件
• 5.3.3.3 模拟结果分析
• 5.4 端部加密和消波部分的参数对抗爆能力影响研究
• 5.4.1 数值模型
• 5.4.2 模拟过程及边界条件
• 5.4.3 模拟结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 洞室围岩动态响应理论分析
• 6.1 概述
• 6.2 控制方程
• 6.3 保角映射
• 6.4 爆炸应力波对任意形状洞室的影响
• 6.4.1 控制方程
• 6.4.2 入射波和散射波场的势函数
• 6.4.2.1 入射波的势函数
• 6.4.2.2 散射波的势函数
• 6.4.3 应力和位移的弹性力学表达式及边界条件
• 6.4.4 求解
• 6.4.5 计算结果分析
• 6.4.5.1 入射角对应力集中系数、径向和切向加速度的影响
• 6.4.5.2 爆炸振动频率的影响
• 6.4.5.3 洞室洞径的影响
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果