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。     

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。     

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。     

基于损伤塑性模型的砌体墙体非线性有限元分析

为了研究砌体墙体用钢结构加固后的力学性能,需要提供较准确的砌体墙体非线性计算,考虑到砌体与混凝土的材料性质具有相似性,将混凝土损伤塑性模型经修正后应用于砌体数值模拟,实现对砌体墙体的非线性有限元分析。通过与水平加载试验结果对比,验证了有限元模型的正确性。探讨了损伤塑性模型中的粘性系数、膨胀角、砌体本构关系中的初始弹性模量、受拉应力应变关系对计算结果的影响。结果表明:粘性系数和膨胀角对抗剪承载力、峰值位移及下降段性能均有较大影响,而对初始刚度影响很小;随着初始弹性模量的增大,砌体墙体抗剪承载力随之提高,但峰值位移无明显变化;受拉应力应变方程中待定系数的取值,对抗剪承载力及峰值位移影响较大。     

考虑损伤特征的冻风积土加载模型与试验研究

为了研究冻风积土在不同温度、各级围压条件下的应力—应变关系与加载损伤特佂,通过对不同负温不同围压条件下的冻风积土试样进行三轴剪切试验,获得其应力—应变关系曲线。按照用切线模量定义损伤变量方法对Duncan-Chang非线性模型变换得到了损伤变量随偏应力的演化规律表达式,引入具有衰减特性的负指数控制方程用以描述切线模量随偏应力增加而衰减特征。将损伤变量和切线模量的控制方程导入损伤本构关系中推导出了冻风积土加载损伤模型。研究发现:(1)损伤变量是一个依赖于围压及抗剪强度指标c、φ值并随偏应力不断演化的变量;(2)加载损伤模型在偏应力较小时描述冻风积土在三轴剪切过程中的应力—应变发展关系较为理想。     

高铁荷载作用下基床填料的动三轴模量试验研究

依据高铁路基基床的工作条件,推导出室内三轴试验模拟列车荷载的围压范围为10~150kPa,频率范围为1~5Hz。在此基础上开展高铁基床填料AB组料动三轴试验研究,分析了列车荷载下围压、压实度、加载频率对AB组料动弹性模量的影响。试验研究表明:AB组料的动应力—动应变关系具有明显的非线性特征和应变软化特征,动弹性模量的倒数与动应变曲线基本呈线性关系,说明AB组料的动本构关系符合Hardin双曲线模型。动弹性模量随围压的增大而增大;随压实度的增大,动弹性模量呈非线性增大;加载频率对动弹性模量有一定的影响,当应变小于0.05%时频率对动弹性模量影响较大,但应变超过0.05%时,频率的影响可以忽略。     

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。     

基于Hoek-Brown应变软化模型的深部巷道锚杆受力特征研究

基于量化GSI围岩评级系统及Hoek-Brown应变软化模型,应用FLAC3D数值模拟软件,分析全长粘结锚杆在不同长度及不同本构模型条件下的受力特点,对比分析不同预应力对锚杆轴力及剪力的影响。结果表明:采用理想弹塑性模型与应变软化模型计算得到的锚杆轴力及剪力相差较大;通过现场实际应用可知,应变软化模型能够较为真实地反应围岩的屈服破坏过程,在支护结构设计中,建议采用应变软化模型进行计算,可得到较为精确的计算结果。     

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。     

基于ABAQUS的岩爆形成机理研究

本文对岩爆进行了分类,从建立岩石材料的损伤本构模型出发,结合断裂力学的有关概念给出了岩石破坏发生的判别准则,从而系统地解释了岩爆的形成机制.结合圆形洞室围岩应力分布,对具体的工程实例运用ABAQUS进行数值模拟,分析了发生岩爆的地下洞室围岩的应力状态及相应的灾变位置.     

高填方多级挡墙路堤变形及稳定性分析

针对高填方路堤回填料分层碾压施工中呈现出超固结、剪胀和时间相依等复杂变形特征,以高填方多级挡墙路堤为例,通过现场勘查、室内试验以及变形监测获得回填土石料的力学性质,分别采用摩尔库仑、修正剑桥以及基于下负荷面的弹粘塑性二次开发本构模型,逐步表征路堤回填料的超固结、剪胀以及时间相依变形行为,并结合单元试验以及现场沉降监测数据反演综合确定三种本构模型材料,对比分析三种本构模型模拟高填方路堤施工及工后变形的差异,最后利用有限元强度折减法分析该高填方多级挡墙路堤的稳定性。计算结果表明:在路堤填筑初期(21 d),基于下负荷面的弹粘塑性模型和修正剑桥模型相比摩尔库仑模型考虑了先期固结应力,计算沉降量结果稍小;随着施工填筑的进行(100 d),一旦超过先期固结应力后,三种模型的沉降量变化逐渐接近;随着时间的增长,仅基于下负荷面的弹粘塑性模型能计算路堤的长期沉降,预测该路堤顶10 a工后沉降17 cm,满足工后沉降要求;同时发现路堤水平侧移呈“S”型内倾的变化特点,且通过有限元法强度折减计算得到边坡稳定性最小安全系数和最危险滑动面,均满足边坡稳定性要求,路堤边坡的失稳预警位移为4.6 cm。     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型的动力性能分析

地震作用在混凝土结构上会在其材料中产生较高的应变率,混凝土材料具有一定的率敏感性,准确模拟混凝土结构在地震作用下的反应需采用混凝土动态本构模型.为评估ABAQUS有限元软件中的混凝土损伤塑性模型模拟混凝土动力性能的能力,采用该模型对混凝土材料和构件在不同加载速度下的动态反应进行了有限元数值分析.结果表明,随着加载速度的...     

高应变率下HRB600高强钢筋力学性能试验研究

钢筋混凝土结构抗震分析中应该采用钢筋材料的动态塑性本构模型,HRB600高强钢筋作为新一代建筑钢材,尚无其在高应变率下的力学性能研究。首先进行了HRB600高强钢筋拉伸力学性能试验,得到了不同应变率下的HRB600高强钢筋力学性能数据,屈服强度最大提高11.5%,极限强度最大提高8.9%,然后拟合得到HRB600高强钢筋在高应变率下的强度提高系数表达式。研究结果表明:随着应变率的增大,钢筋的屈服强度和极限强度均得到提高;在相同应变率条件下,钢筋屈服强度动力提高系数大于极限强度动力提高系数;相比较低强度钢筋,应变率敏感性明显低于HPB235、HRB335及HRB400,但与HRB500钢筋相差较小,而极限强度应变率敏感性明显高于低强度钢筋;基于试验数据得到的HRB600高强钢筋在高应变率下的动态塑性本构模型,与试验值吻合较好。研究成果可作为HRB600高强钢筋混凝土结构抗震评估的依据。     

寒区冻结冰碛土的变形特性与非线性本构模型研究

为了研究寒区冰碛土的变形特性和本构模型,应用MTS-Landmark 370.10型动静三轴测试系统对冰碛土在温度为-3、-5 ℃,围压为0.1、0.5、1、4、8 MPa时开展低温常规三轴试验。结果表明:冰碛土的应力应变关系曲线均为应变软化型,可分为线性、非线性和应变软化3个阶段;围压越大,软化现象越明显;随轴向应变的增加,试样先体缩再体胀。基于试验结果在沈珠江三参数模型和修正邓肯-张双曲线模型基础之上提出一种改进模型,将改进模型与沈珠江三参数模型、修正邓肯 张双曲线模型的拟合结果进行对比,发现改进模型能较好描述冻结冰碛土的应变软化现象和剪胀特性。     

泥化夹层压缩试验的损伤特征及损伤方程研究

泥化夹层的损伤破坏是影响边坡稳定性的重要因素,为研究其损伤机理,进行了不同围压条件下的压缩试验,通过试验数据和试样破坏外观分析损伤情况;利用CT扫描仪在试验不同加载时刻对泥化夹层进行实时CT扫描,结合MATLAB图像二值化处理,得到不同围压下泥化夹层损伤识别图像,反映了内部损伤发展情况;最后根据推广的应变等价原理,通过变形模量确定损伤变量,获得泥化夹层损伤变量与轴向应变的关系。结果表明:①泥化夹层强度普遍表现出随围压增加而增加的规律,破坏应变取为10%,由于泥化夹层自身组成及结构存在差异性,导致个别试样的强度规律不明显;②泥化夹层内部存在薄弱层,加载过程中会出现阶段性的小幅度塌缩,强度曲线上反映为阶段性的应变突增现象;③无围压和一定围压情况下的损伤破坏方式不同,无围压时为脆性破坏,裂缝萌生、开展,一定围压时表现为塑性破坏,泥化夹层被压缩,孔洞裂隙闭合,破坏方式改变临界围压介于0～50kPa;④通过本文方法建立的损伤方程与不同围压下的室内试验结果拟合良好,该方法合理可行。     

分级加卸载下深部粉砂岩三轴蠕变特性试验研究

采用分级增量循环加卸载方式,对湖南湘煤集团牛马司矿业公司水井头煤矿-300米东大巷二煤层底板粉砂岩进行了三轴蠕变特性试验,详细探讨了其轴向蠕变和变形模量的变化特征,分析了围压对蠕变和破坏的影响;研究了该类岩石各蠕变阶段非线性黏弹塑性变形特征。试验结果表明,在围压条件下,加速蠕变阶段较明显,岩样经过典型的蠕变三阶段后产生明显的黏塑性破坏;变形模量随应力水平的增大和时间的增长逐渐减小,直至趋于某一稳定值;瞬弹应变、瞬时总应变、粘弹性应变和总蠕变均随应力水平增大而增大;围压越大,岩石蠕变值越小,变形模量越小,塑性变形所占比重越大,非线性流变越明显。加大围压可以减缓岩石的蠕变破坏时间,围压越大破坏时的应变值也越高。表明围压对岩石蠕变有明显的约束作用。     

考虑Weibull分布的饱和风积土统计损伤硬化模型研究

为能更好地揭示复杂应力状态下饱和风积土变形过程的损伤本构关系,引入服从Weibull随机分布的饱和风积土微元强度统计损伤理论,基于饱和风积土常规三轴全应力—应变试验曲线,构建能够模拟特定围压环境下饱和风积土变形全过程的统计损伤硬化本构模型。通过拟合分析基于Weibull分布的饱和风积土统计损伤本构模型参数m、F0与围压σ3之间的关系,对其参数进行科学修正,从而构建出能够更客观地描述在复杂应力环境中的饱和风积土统计损伤硬化模型。理论与试验对比研究结果表明该模型具有一定的可靠性,不仅能客观地描述饱和风积土变形的全过程,更能真实地描述孔隙水压力对饱和风积土工程特性的影响。     

热弹塑性土体本构模型及在多场耦合数值模拟中的应用

采用热等效应力的概念,提出一种新的热弹塑性饱和/非饱和土本构模型,其在正常屈服面以内仍然会发生塑性应变。该模型通过以饱和度和土骨架应力为状态变量,能够统一描述饱和、非饱和土体的热力学特性;还采用上下负荷面概念,考虑了土的结构和超固结发展特性。所提出的本构模型可以很好地展现饱和/非饱和土体在不同温度条件下固结压缩实验和三轴实验中的压缩和应力应变特性。将该模型导入土-水-气-热多场耦合有限元分析中,利用有限单元一有限差分法模拟了深层软岩加热高温试验。计算结果与试验结果吻合得很好,验证了所提出的本构模型与多相场耦合有限元方法的准确性,可尝试将其用于地热能开发与土体热力学特性的研究和模拟。     

强地震动作用下地基土-地铁隧道结构的动力接触效应

将地基土-地铁隧道结构体系视为平面应变问题,采用记忆型嵌套面粘塑性动力本构模型和动塑性损伤模型,分别模拟土体和隧道结构混凝土的动力特性,用点-线接触单元模型描述强地震动作用下地基土-地铁隧道之间的相对滑移,利用罚函数法和拉格朗日乘子法求解动力接触效应,建立土-地铁隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型,分析了动力接触效应对地基土-地铁隧道之间的法向接触压应力、切向接触剪应力和切向滑移的影响规律。结果表明:罚函数法比拉格朗日乘子法更适用于求解强地震动作用下地基土-地铁隧道之间的动力接触问题;与地基土-地铁隧道变形协调假定的计算结果相比较,动力接触效应使地铁隧道的地震加速度反应有所增大。     

大断面隧道软弱围岩-支护系统稳定性分析北大核心CSCD

采用室内试验研究手段获得隧道围岩力学特性,以Mohr-Coulomb弹塑性模型及应变软化模型为基础,采用FLAC3D数值模拟软件,构建三维数值模型,计算深埋隧道围岩特征曲线及纵剖面变形曲线,并对隧道围岩及支护结构安全性进行评价。结果表明:采用弹塑性模型计算所得的隧道围岩安全系数低于应变软化模型所得的安全系数,表明采用弹塑性模型进行支护结构设计时,支护结构安全性较低,设计中可能会增加支护材料费用,而考虑应变软化条件下的围岩安全系数更加接近于工程实际;采用极限应变值或支护结构极限承载压力所获得的围岩—支护系统安全系数较为接近,说明两种方法的差异较小,均可用于隧道围岩支护结构优化设计,采用收敛—约束法计算隧道安全稳定性更加直观,对工程实际具有一定指导作用。