我国水利水电大型地下厂房多建在地震高发的西南地区，研究地下结构柔性支护地震动响应特性，对地下厂房运行的安全评估具有重要意义。本项目依托已建大型地下厂房设计资料，采用实验模拟、理论分析、数值分析相结合的研究方法，研究地下结构柔性支护的地震动响应特性，围绕柔性支护的作用机理、力学模型、地震动响应、高效算法和安全评价等方面展开研究。经历四年的努力，取得的主要成果有：（1）基于柔性支护加固围岩的作用机理，建立了锚杆的复合锚固单元模型，揭示了地震动荷载在围岩与柔性支护的相互作用机理。建立了锚杆和围岩协同变形的力学模型，建立了考虑锚杆沿程应力、锚杆受剪切作用和岩锚吊车梁涂沥青段的数值分析模型。（2）提出“开源节流”的高效计算优化思路，构建了基于计算机集群和CPU/GPU异构的高效并行平台。针对柔性支护与围岩的相互作用特性，构建地下洞室柔性支护抗震计算数值分析平台。（3）研究了地震作用下锚杆应力的响应过程，及锚杆和围岩的接触界面、锚头界面的损伤过程，揭示地震灾变中柔性支护和围岩的损伤演化规律。（4）研究了不同的锚固参数组合下，柔性支护的地震动破坏机制、破坏过程及破坏形式，揭示了柔性支护加固围岩的抗震机理，提出了柔性支护抗震设防的建议。在本项目资助下，在《Computers and Geotechnics》、《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》、《Shock and Vibration》、《岩石力学与工程学报》、《岩土力学》等期刊上发表学术论文22篇，其中SCI收录8篇，EI收录14篇。培养博士研究生13人，硕士研究生15人。取得的相关研究成果完善了地下结构抗震计算基本理论，同时为地下结构柔性支护的抗震设计提供理论支撑。 2100433B

地下厂房洞室一般采用柔性支护。目前柔性支护都是采用工程类比法按静力状态设计，其地震动响应的影响缺乏理论指导和相应研究。我国大部分大型地下厂房建在地震高发的西南地区，研究地下结构柔性支护地震动响应特性，对地下厂房运行的安全评估理论具有重要意义。本项目依托已建大型地下厂房设计资料，采用现场调查、实验模拟、理论分析、数值计算等手段，研究围岩与柔性支护地震动响应联合作用机理，建立围岩与柔性支护动力联合作用模型；研究柔性支护岩体地震波折射、反射波叠加特性，分析柔性支护结构和围岩动响应损伤演化规律；研究高效有限元并行计算方法，开发地下结构柔性支护地震动响应高效计算平台；研究地震动响应的时效和耗散能累积突变理论，建立地下结构柔性支护地震动响应安全评价体系。通过研究，为大型地下厂房的抗震安全运行和生命周期的评估提供理论依据和技术支持。该项研究成果不仅具有重要的理论意义，对工程设计也具有重大的指导意义。

柔性支护指能密贴围岩或深入到岩体内部，有效地发挥围岩自承能力，允许围岩有一定变形而不破坏，甚至同被加固的岩体作整体运动时仍能保证相当大支护抗力的支护措施。

学科：坑探工程

词目：柔性支护

英文：flexible support

释文：包括锚杆支护、喷射混凝土支护及喷锚（网）复合支护等。 2100433B

课题以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建设为背景；针对深部土体特性、土与地下结构接触面物理、力学特征以及地下工程力学行为，采用试样试验、细观测试、基于离散元法的颗粒流数值模拟技术及理论分析等综合研究方法；考虑土体性质、接触面曲率、结构材料刚度、接触面粗糙度以及荷载性质等诸因素；应用超声扫描显微（C-SAM）、液氮快速冻结固样、三维视频显微、颗粒级配分析等细观物理特征测试技术和方法；深入研究接触面和界面层的几何特征、界面层内土体的细观物理现象、接触面和界面层的宏观力学行为以及三者之间的关系；研究土性、结构面特征以及荷载条件等因素对界面层物理、力学性质的影响及其规律；建立深部土与地下结构接触面，特别是界面层的本构关系，基本阐明深部土与地下结构相互作用界面层形成机理、基本性质、影响因素及其力学效应等基础理论问题，为深入研究深部土与地下工程结构相互作用的宏观规律奠定基础。

项目以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建设中的土-结构相互作用问题为背景，针对土-结构接触面及界面层物理、力学特性，开展了大量的试样试验、数值模拟及理论分析工作。在理论上克服了经典理论中统计平均值不能如实反映材料在相当小体积上的强度和变形急剧不连续变化的缺陷，建立了在传统塑性理论框架内考虑微结构之间的相互作用和应变梯度效应的接触面本构方程。首次研发了可考虑不同结构面曲率的土-结构相互作用试验系统以及异形土样制备器，弥补了常规直剪仪只能用于研究相对低应力条件下土与平面结构相互作用的不足。采用C 语言设计开发了基于面向对象的试验过程控制、数据采集及后处理软件，实现了试验过程的自动化和可视化。采用自行研制的土-结构相互作用试验系统，进行了大量不同性质的土与不同曲率、不同粗糙度结构面在不同法向应力条件下的相互作用试验，得到了不同法向压力条件下土-结构接触面及界面层的物理力学特性及其受结构面曲率、粗糙度及土性等因素的影响规律。当法向应力σ≤3.2MPa时，剪切强度随结构面曲率的增加而增大，即具有明显的曲率效应，随着法向应力的增加，曲率效应逐渐弱化直至消失。结构面粗糙度与土颗粒平均粒径的比值即相对粗糙度对不同法向压力下的接触面及界面层物理力学特性有显著影响，剪切强度与相对粗糙度关系曲线呈“三段”式，存在极限相对粗糙度 与稳定相对粗糙度 两个拐点。当相对粗糙度小于极限相对粗糙度时，剪切强度随相对粗糙度的增加而增大；而当相对粗糙度大于稳定相对粗糙度时，剪切强度基本不再随相对粗糙度的增加而变化。颗粒流数值模拟中对PFC2D进行了二次研发，对具有相同参数的颗粒试样采用半径扩大法、重力沉积法及分层振动法三种不同制样方法获得的试样孔隙比进行比较，结果表明，半径扩大法可获得孔隙比分布范围最广的数值试样，而分层振动法获得的孔隙比分布范围最小。通过对土-结构剪切过程颗粒分层比较，分析了每层颗粒的平均水平行程和竖向变位，获得了不同试验条件下土与结构面剪切的界面层厚度。模拟结果表明，结构面相对粗糙度、结构面锯齿角度是影响界面层厚度的主要因素：界面层厚度随相对粗糙度的增大呈现先增大后减小，随锯齿倾角的增加呈非线性增大。课题研究大大深化了对土-结构相互作用细观机理的认识，为地下结构的设计、施工、质量控制以及工程灾害的预测与治理提供了借鉴与指导，具有重要的理论意义及工程应用价值。 2100433B