基于细观模拟的轻骨料混凝土破坏行为及尺寸效应研究∗

轻骨料混凝土由于其轻质高强及保温隔热性能好等优点,越来越多被应用于实际工程结构。从细观角度出发,将混凝土材料看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了考虑混凝土材料非均质性影响的二维细观数值分析模型,模拟研究了轻骨料混凝土与普通混凝土压缩和劈拉破坏行为及尺寸效应的异同,并揭示两者破坏机理。结果表明:轻骨料混凝土压缩及劈拉破坏均造成骨料颗粒的断裂,而普通混凝土破坏时骨料很少破坏;轻骨料混凝土由于脆性较强,与普通混凝土相比有更加明显的压缩强度尺寸效应现象;轻骨料混凝土与普通混凝土存在相似的劈拉强度尺寸效应现象。     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值(计算得到的泊松比)。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力—侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加载阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0.5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

无侧限压缩条件下重塑土微观结构研究∗

近年来,基坑、隧洞等开挖工程中的卸载作用导致软土结构破坏,进而引起过大侧向变形的工程事故越来越多。土体所表现出来的各种变形及强度特性是其内部微观结构要素调整和演化的综合反映。为了研究结构遭到扰动破坏的软土在无侧限压缩变形后的微观结构特征,将原状软土重塑成不同含水率土样,在不同轴向应力作用下压缩变形稳定后,对土体微结构进行定性和定量分析,探讨无侧限条件下土体的微观结构与宏观变形的相关机理。研究结果表明,软土重塑样的微观结构主要以分散结构和絮凝结构为主,单元体之间多有架空,土体颗粒的接触方式以边-面和面-面接触为主。在无侧限压缩条件下,随着轴向应力和试样含水率的增大,试样的表观孔隙比减小,孔隙形状变得扁平狭长,孔隙的有序性和定向性增强。不同位置的定向性不同,在水平方向上,靠近试样边缘处的土颗粒定向性和有序性更强;在竖直方向上,靠近试样中间位置的土颗粒定向性更强。     

混凝土受拉动态破坏过程的细观数值方法研究

混凝土在宏观层次上属于各向同性材料,但在细观层次上可视为由粗骨料、砂浆以及二者界面组成的三相非均质复合材料。混凝土是一种典型的率敏感材料,不同应变率水平下存在不同的强度增长机制。从混凝土细观结构出发,提出了混凝土动态受力分析的刚体弹簧元(Rigid Body Spring Model,RBSM)方法,通过建立混凝土细观各相组成材料的粘弹塑性损伤本构模型,充分考虑Stefan效应在中低应变率水平下对混凝土力学性能的影响,模拟了混凝土的强度增长规律。对砂浆、混凝土试件的单轴受拉动态破坏分析表明,本文建立的动态弹簧元模型能较好地模拟混凝土强度随应变率增长而提高的规律,而且能够跟踪加载过程中混凝土内部的裂缝开展过程和最终破坏形态。     

地震条件下陡峭岩体崩塌式渐进破坏研究

基于离散单元法DEM,推导颗粒黏结-阻尼振动-运动演化方程,建立三维陡峭岩体模型,在地震横波与纵波条件下,进行岩体渐进式破坏演化动态过程模拟,在模型中实时跟踪9个监测点相关力学及运动参数,分析从稳定至滑动,再到碎石运动演化过程中参数变形情况。结果表明:细观颗粒间从黏结到损伤断裂再到运动的过程中,非线性运动特征差异化明显。水平向横波作用下,左侧岩体渐进式破坏严重,呈现出断裂-分离-接触碰撞-再分离的运动演化过程。不同振动强度下,岩体破损程度差异明显,振幅15以上岩体破坏严重。纵波单独作用下,岩体虽发生水平向裂纹,中部发生较大变形,但整体结构保持较好;模拟发现横波是岩体破坏的主要因素,纵波和横波叠加作用下两侧岩体破坏严重。     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

发电机定子冷却水管路堵塞的原因分析及处理

利用FLAC模拟了不同岩石峰后脆性条件下圆形巷道围岩的破坏区分布及能量释放规律。在计算中,采用了应变软化本构关系及"先加载,后挖洞"方式。模拟结果表明,随着峰后脆性的增加,围岩中发生破坏的单元变多,释放的弹性应变能总量增加,巷道围岩越来越难于再次达到平衡状态;尽管在一些算例中出现了沿环向发展的破坏区,但是不认为这与分区破裂化现象有关;难于采用二维的滑移线或破坏特征线解释分区破裂化现象。围岩分区破裂化现象的研究可从三维连续介质模型的空间局部化视角出发,亦可从二维颗粒体模型的颗粒相互作用机制视角出发,这两种思路都引入了二维连续介质模型中不具备的因素。     

6061‑T6铝合金材料的冲击压缩力学性能实验与数值模拟∗

为了探究 6061?T6 铝合金的冲击力学性能和在防护结构上的应用前景,采用实验与数值模拟相结合的方法开展分析研究。根据多组准静态压缩及冲击压缩实验数据,对 Johnson?Cook 本构模型的相应参数进行了拟合;再进行数值模拟分析,并把数值模拟的结果与实验结果对比分析。最终,得到了 6061?T6 铝合金在常温下的屈服强度、峰值应力等力学参数;拟合出了 6061?T6 铝合金 J?C 模型的相应参数;研究表明 6061?T6 铝合金是一种应变率敏感材料,其屈服强度、流动应力峰值随着应变率的提高而提高,同时材料对冲击荷载的能量吸收也越来越多;当应变率为 1 600 s^-1 时,相对于准静态,其屈服强度和极限承载力分别提高了 30%、78%;数值模拟结果与实验结果吻合较好,表明拟合的 J?C 模型能够较好地表现出 6061?T6 铝合金在高应变率下的应力流动行为。研究成果可为 6061?T6 铝合金材料冲击动力学分析和在抗爆结构上的应用提供依据和参考,其在防护工程,防灾减灾工程领域上应用前景广阔。     

圆形巷道围岩的环向应力及发生岩爆单元分布的数值模拟

利用FLAC模拟了不同水平方向压力(小于竖直方向压力)及岩石峰后不同脆性条件下的圆形巷道破坏过程.岩石服从莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为.监测了模型中第1象限对角线上的单元环向应力分布及演化规律.根据徐林生和王兰生提出的环向应力岩爆判据,判断模型中各单元是否发生岩爆.模拟结果...     

不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟结果表明:当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了"狗耳"形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。     

不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。文中模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。     

盐渍土与混凝土衬砌冻结强度直剪试验研究∗

盐渍土、冻土作为特殊土一直是岩土工程领域研究的热点,但盐渍化冻土与结构之间的相互作用却鲜有报道。为研究山东季冻区、盐碱地渠系工程破坏问题,开展了氯盐、硫酸盐渍土在不同含盐量、不同法向应力条件下与混凝土衬砌冻结接触面的直剪试验研究。结果表明:冻结接触面剪切破坏的性状与含盐类型和含盐量均有关,随氯化钠含量的增加,破坏性状由脆性破坏转为塑性破坏,且氯化钠含量约为2%时是破坏性状的转折点,硫酸钠含量的增加,不会改变接触面的脆性破坏性状;初始冻结强度来源于接触面上冰晶的胶结作用,随含盐量的增大,冻结强度降低,且含盐类型对冻结强度影响不同,氯化钠比硫酸钠对初始冻结强度降低作用更显著,当氯化钠含量接近2%、硫酸钠含量超过4%时,接触面完全丧失初始冻结强度;随着含盐量的增大,内摩擦角由不变到开始减小,黏聚力由开始降低到趋于稳定。     

压实黄土抗剪强度参数影响因素研究

为了进一步研究河南三门峡地区黄土抗剪强度的影响因素,采用应变控制式三轴仪对不同含水量、不同压实度下的重塑黄土进行不固结不排水三轴试验。试验结果表明:相同压实度下,随着含水量的增加,应力应变关系曲线由弱应变硬化向强应变硬化转变;粘聚力与内摩擦角均随含水量的增加而减小,粘聚力与含水量的变化呈明显负线性相关,内摩擦角与含水量无明显的相关性。相同含水量下,粘聚力与内摩擦角随压实度的增加而逐渐增大,且呈现出明显的指数相关。含水量对抗剪强度参数的影响比压实度大。对以上强度参数采用最小二乘法进行拟合,得出考虑含水率和压实度的抗剪强度相关关系式,能够较为准确的反映在某种试验条件下强度参数的变化规律,为实际工程应用和数值模拟提供依据。     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用"先加载,后挖洞"的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

基于一种重塑性制样方法的节理黄土力学特性试验研究∗

黄土节理是控制黄土地基、边坡和地下工程破坏与稳定性的重要因素,探讨节理性黄土的破坏特性对于了解边坡后缘拉裂演化过程、滑动面的生成具有重要意义。针对原状节理性黄土室内试验试样制备困难的问题,考虑节理面低强度、弱胶结的特点,以一种接触面模拟材料为载体,结合重塑制样的方法,提出一种节理性黄土室内三轴试样的制样方法,通过重塑试样与原状试样的节理面抗拉强度对比分析,验证该方法的合理性和有效性。在此基础上,开展节理性黄土的无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验,讨论节理性黄土试样的强度与破坏规律。研究结果表明:节理的存在对试样强度和破坏的影响与节理倾角和围压大小有关,表现为低围压和45°倾角时的低强度效应;"沿节理面滑动破坏"与"破裂面与节理面呈X型共轭剪切破坏"是无侧限和三轴条件下的含单条贯通型节理性试样的两种典型破坏模式;非贯通型节理性试样的抗压破坏主要为"破裂面与节理面贯通型破坏"与"破裂面与节理面非贯通型破坏"两种类型。     

藏东南冰碛体剪切特性受冻融循环的影响及改良∗

藏东南地区广泛分布着冰碛体堆积体,此土体严重影响工程安全。为了研究冰碛体的剪切性能并对其进行改良,运用相似原理配制出级配良好的冰碛体相似材料,分别在不同冻融循环次数和不同含水率的条件下,对冰碛体相似材料开展了直剪试验,同时掺入机油和粉煤灰外加剂进行三轴试验,研究其对冰碛体相似材料抗剪强度参数的影响。结果表明：（1）直剪试验过程中,随着垂直压力的增大,冰碛体的位移?剪应力曲线由弱应变软化型转变为弱应变硬化型。（2）含水率变化对冰碛体抗剪强度的升降受到冻融循环次数的影响。（3）冻融循环为5 次是冰碛体材料抗剪强度的分界线。（4）机油和粉煤灰对冰碛体抗剪强度指标（咬合力和内摩擦角）的影响相反。     

冻融循环对黏质粗粒土抗剪强度影响的试验研究

通过室内循环冻融循环试验和三轴不固结不排水(UU)压缩试验研究了循环冻融作用与细砾组含量(P_(2-5))对黏质粗粒土抗剪性能的影响。结果表明,冻融循环作用对黏质粗颗粒土的应力—应变曲线性状具有一定的影响,可使其由未冻融的应变软化向应变硬化转变的趋势,但随着细砾组P_(2-5)含量的增加,冻融作用对其影响逐渐减弱。随着冻融循环次数的增加,土样剪切强度呈现逐渐衰减,且在5～9次冻融循环次数后基本保持不变,多次循环冻融作用后剪切强度最大衰减幅度可达40%。弹性模量随冻融循环次数的增加上下波动较大但整体呈现下降趋势。在抗剪强度指标方面,冻融作用对黏聚力影响比较显著,随着冻融循环次数的增加,黏聚力逐渐减小,最大衰减幅度可达65%,而内摩擦角上下波动较大无明显趋势。此外,随着细砾组P_(2-5)含量的增加,剪切强度、弹性模量及抗剪强度指标均呈现不同程度的减小,这与粗粒土内部粗颗粒和细颗粒占比及其强度发挥机制有关。     

不同含水率状态下黏性土-混凝土界面剪切特性室内试验研究

利用青岛理工大学自行研制的恒刚度直剪仪,完成了18%、20%、25%、28%共4组不同含水率黏性土与混凝土大型直剪试验,重点对不同含水率和法向应力下剪应力—剪切位移关系曲线进行分析,探讨了含水率的变化对黏性土与混凝土界面力学特性的影响规律。试验结果表明:黏性土与混凝土界面的剪应力—剪切位移关系曲线受到含水率变化的影响。当含水率较高时,界面剪应力达到峰值后剪切变形表现为典型的弹塑性变形;当含水率较低时,界面剪应力—剪切位移关系曲线呈现出折线型关系。界面抗剪强度随含水率的增大而减小,但抗剪强度与法向应力始终保持线性关系,黏聚力受临界含水率25%左右的影响,小于临界含水率时,黏聚力随含水率的增大而增大,大于临界含水率后,黏聚力随含水率的增大而减小;摩擦系数受含水率的影响较小,变化幅度仅为5.5%。     

粘性泥石流体阵性流形成机理研究

通过粘性泥石流体阵性流的野外观测 ,和应用最新研制的大型平板旋转式泥石流流变仪测定粘性泥石流体的应力应变特性 ,发现含有砾石的粘性泥石流体启动时具有明显的应力过冲特征。这种应力过冲特征 ,与由粘性介质阻力形变初期的剪切稀化和高浓度粗细颗粒相互挤压的内摩擦力共同组成的泥石流体的应力滞后特性 (抗剪强度 )有关。根据所测定的粘性泥石流体的准静摩擦角、正压力和动摩擦系数 ,通过剪切面上流动坡度的推导与泥石流体启动高度的演算 ,并与粘性泥石流体阵性流观测资料进行对比 ,初步揭示了粘性泥石流体阵性流的形成机理。