爆炸冲击荷载作用下重力坝三维各向异性脆性动力损伤有限元分析

以连续损伤力学为基础，用三维动力损伤有限元模型分析混凝土重力坝及其岩石基础在爆炸冲击荷载作用下的各向异性脆性动力损伤问题。把有效应力和损伤应变能释放率的概念引入岩石类介质的脆性动力损伤演化模型，并应用于自主开发和研制的三维各向异性脆性动力损伤有限元程序（ADDFEP^3D），分析模拟在爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝及其岩石基础内的位移场、应力场、损伤场、应变能释放率和破坏失效分布场的动力响应过程，并用三维等值线图和过程演示图描述部分数值分析结果。研究结果可为重力坝抗爆性能评价的进一步深入研究提供有参考意义的方法和基础。     

岩石类脆性材料损伤断裂研究综述

将损伤引入岩石力学领域已经有 2 0多年 ,近年来在国内外都有许多相关的研究 ,本文对此做了简要综述 ,重点介绍了宏观连续介质力学研究中出现的几种具有代表性的描述材料损伤的损伤变量定义和损伤模型 ,并作了必要的评述。综述了材料损伤在宏观和细观尺度上的研究 ,以及宏、细观研究相结合的方法。即损伤、断裂相联合构成的现代破坏力学的概念。认为宏、细观研究结合是研究岩石类材料破坏的前景广阔的发展方向     

循环荷载下岩石损伤的CT细观试验研究

 利用CT机专用加载试验设备,进行实时的两级循环荷载作用下岩石疲劳损伤演化CT细观试验,得到岩石细观疲劳损伤扩展的初步规律。研究表明：一级循环荷载为强度的38%～76%时,随着循环次数的增加,上限应力处全区CT数标准差有增加的趋势,密度和CT数有减小的趋势,但变化很小,说明这一过程损伤的积累是缓慢的;二级循环荷载为强度的45%～90%时,虽然试验时循环次数少于一级循环荷载,但上限应力处全区CT数标准差、密度和CT数变化要大于一级循环荷载;在岩石破坏前的1个循环,CT数标准差、密度和CT数有较大变化。     

地震荷载作用下地裂缝场地动力响应试验研究

 以西安地铁穿越地裂缝区域为工程背景,采用振动台模型试验,模拟地震荷载作用下地裂缝场地的动力响应。试验结果表明：地震荷载作用下,地裂缝场地中的隐伏地裂缝逐渐出露,随着地震动力荷载的持续作用,裂缝在地表贯通,并在裂缝的上盘区域中生成与之相交的次生裂缝,地裂缝内部的松散充填土体沿裂缝向上运动。地震动力荷载作用下,地裂缝场地产生不均匀沉降,且地裂缝位置产生的沉降大于其两侧区域,不均匀沉降导致地裂缝两侧产生张拉力,张拉力继而使隐伏地裂缝扩展出露地表,同时伴随裂缝宽度增加。振动过程中,地裂缝场地上盘所产生的动力加速度大于场地下盘区域的动力加速度。研究结果可为地震荷载作用下地裂缝场地中的结构抗震设计提供重要参考。     

循环荷载作用下脆性材料剪切性能试验研究

在自制的MTS振动台试验设备上对混凝土、岩石类脆性材料（砂浆材料）进行静力和动力剪切试验,试验结果表明,（1）动力荷载情况下位移-剪力包络线形状同静力荷载情况下曲线破坏形状相似,均可划分为相同的4个阶段;（2）在相同垂直压力作用下试件的动力抗剪强度与静力抗剪强度相比有明显的增大趋势,强度较低的试件强度增加较大;（3）在相同频率情况下,随着垂直压力的增大,峰值剪切强度、残余抗剪强度随之增大;（4）静力荷载情况下其破坏处水平位移要大于动力荷载情况下破坏处的水平位移,其他条件相同时破坏处水平位移值随峰值抗剪强度的增大而增大;（5）剪切过程中有明显的剪胀现象出现。最后根据试件的破坏形状,初步分析混凝土、岩石类脆性材料的动静态剪切特性的机制。     

基于损伤理论的预应力锚索荷载-变形特性分析

根据损伤理论的基本原理，分别定义了岩休剪切损伤变量和受拉浆体材料的损伤变量，确定了各自相应的损伤演化方程；推导了基于浆体材料损伤的锚索锚固段荷载传递控制微分方程：并将岩体剪切损伤理论与常规剪切位移法相结合，研究了拉力型预应力锚索锚固段的荷载．位移特性、侧阻力分布特性以及轴力分布特性等。将一工程实例的计算结果与实测结果进行了比较，结果表明，该方法是可行的，特别适合描述预应力锚索处于较高应力水平时的工作特性。     

基于地震荷载作用下的风力发电塔的地震响应分析

基于地震荷载的作用,应用大型有限元软件FINAL,研究不同结构参数的风力发电塔在地震荷载作用下的地震响应,以及比较它们之间的差异,进而得出改变风力发电塔的结构参数对于地震响应的影响规律。以二维风力发电塔模型为例,建立4个不同参数的模型,首先进行模态分析,计算出每个模型的固有频率,通过比较固有频率得出结论,并对其进行比较分析。然后对4个模型施加1993年北海道西南海面桥地震波形,分析比较它们在此地震波形作用下的地震响应值,进而得出不同的结构参数对地震响应的影响规律。     

基于地震荷载作用下的风力发电塔的地震响应分析

基于地震荷载的作用,应用大型有限元软件FINAL,研究不同结构参数的风力发电塔在地震荷载作用下的地震响应,以及比较它们之间的差异,进而得出改变风力发电塔的结构参数对于地震响应的影响规律.以二维风力发电塔模型为例,建立4个不同参数的模型,首先进行模态分析,计算出每个模型的固有频率,通过比较固有频率得出结论,并对其进行比较分析.然后对4个模型施加1993年北海道西南海面桥地震波形,分析比较它们在此地震波形作用下的地震响应值,进而得出不同的结构参数对地震响应的影响规律.     

循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在循环冲击荷载作用下的损伤规律,设计了3组试验,考虑了围压、荷载冲量大小和冲击次数对岩石损伤程度的影响。通过对大理石试件在压力试验机上的模拟冲击加载,测试受冲击后试件轴向超声波波速,并用超声波波速变化量描述试件的损伤度,得出了大理石试件的冲击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性。结果表明:在围压相同的情况下,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷载冲量有关;在荷载冲量相同时,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和围压有关;围压的存在提高了岩石的冲击强度,降低了岩石的损伤演化速率;围压效应的显现与冲击荷载的等级有关。     

周期荷载作用下岩石疲劳损伤性能的分析研究

从宏观力学性能和微观损伤两方面,对周期荷载作用下岩石疲劳损伤特性进行了深入地分析。岩石的疲劳破坏过程宏观上可视为一个轴向不可逆变形逐渐发展积累、直到失稳破坏的过程;微观上是一个微裂纹萌生、扩展和贯通,最终断裂的过程。并指出岩石疲劳损伤的宏观力学特性只不过是微观损伤演化的综合表现而已。最后展望了岩石疲劳损伤研究方面有待进一步解决的问题。     

岩质坝基稳定分析的等安全系数法及可靠度研究

坝基抗滑稳定问题中,软弱结构面概化为多滑动面的情况相当常见,而规范对此并未给出明确的校核方法。为了提出一整套具有普遍适用意义的坝基多滑面稳定校核公式以及配套参数,为设计提供参考依据,首先在滑楔法基础上提出一种新的适用于多滑面和双滑面的等K′法;然后通过安全系数直接构成的极限状态方程,对等K′法进行可靠度研究,并分析强度参数的互相关性对可靠指标的影响。最终明确给出该方法定量安全系数K′的设计验算式、安全允许指标以及配套的分项系数。多方案验算结果表明,强度参数f,c的互相关性对可靠指标的影响比较显著:随着相关性从完全独立变化到完全负相关,可靠指标β与ρf,c的关系基本呈现非线性的增长,涨幅最大达到48.7%。常规方法将f,c视为独立变量,计算结果是偏于安全的;对等K′法设计验算式中的结构系数γd1,提出分等级的推荐取值,I,Ⅱ,Ⅲ级大坝γd1分别为1.2,1.1,1.0。方案验算和实例应用证明,采用等K′法验算式以及配套的分项系数进行坝基抗滑设计是可行的,安全可靠度也更有保障。     

脆性裂隙围岩的损伤力学分析及现场监测研究

我国西南地区许多水电站基岩为脆性围岩或位于高地应力区。其地下式厂房洞群边墙经常出现较深的开裂区。采用断裂和损伤力学模型结合现场监测工作来研究此现象。该模型可考虑多组节理中裂隙面的各种几何损伤参数。根据应变等效假设可得到基于莫尔-库仑准则的损伤本构方程。运用断裂力学原理分析岩体在开挖过程中原有裂隙产生次生裂纹的现象,推导出岩桥贯通的破坏准则和损伤演化方程并将前述的模型程序化。再运用该新的分析程序对一个水电站洞群工程进行稳定性分析。最后,运用该工程现场监测数据得到的围岩松弛开裂区深度与程序推算的结果做比较,说明二者的劈裂区发育规律很相近。     

光照水电站坝基岩体质量检测研究

 光照水电站大坝为目前国内在建的最高的碾压混凝土重力坝。坝基开挖后,为复核坝基岩体力学指标,分析前期勘测设计工作的合理性,并考虑在适当的条件下对200 m级大坝的建基面进行优化,受业主委托,中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院对建基面进行了全面、系统的地质检测及岩体质量研究。此过程中采用了地质雷达、孔间声波CT、钻孔彩色录像、钻孔变形模量测试及钻探、压水试验、现场试验和室内物理力学试验等综合手段,获得了丰富的坝基岩体力学参数资料。结合地质编录资料,地质人员对检测成果进行了详细的地质分析。根据检测结果,该电站坝基岩石坚硬、岩体完整、岩溶相对不发育、地下水不甚活跃,坝基岩体具有足够的抗压强度、完整性、均一性,具有足够的抗滑稳定性及比较均一的岩体变形参数。经设计复核,除沿F1断层带需经专门处理外,前期所推荐大坝建基面高程的岩体质量及相关力学参数指标能满足坝基变形及抗滑稳定要求。     

温度作用下脆性岩石的损伤分析

从花岗岩弹性模量随温度的变化规律入手,提出了热损伤的概念,在此基础上导出了热２演化方程和一维耦合弹脆性损伤本构方程,并讨论了损伤释放度随温度的演化规律。     

CO2注入引起井筒周围岩石损伤的热孔弹耦合分析

以岩石的耦合–去耦合解析为主线,在三场耦合方程中导入损伤变量,建立岩石损伤过程中的热孔弹耦合模型。通过把均质弹性介质材料的热孔弹耦合模型的有限元解同去耦合解析解的对比,验证有限元数值解的精确性。然后,利用该耦合模型研究CO2注入后井筒周围的应力状态和损伤情况。最后,针对服从Weibull分布的非均质岩石材料,研究CO2注入后非均质岩石渗流性质的改变。结果表明,超临界CO2的注入会对岩石的强度和渗透性产生影响,较高的注入速率会引起岩石的受拉破坏并导致拉伸损伤范围的扩大。非均质材料更容易发生岩石的损伤和渗透性增加。     

鱼简河拱坝坝肩岩体稳定性分析

鱼简河拱坝坝肩岩体内断层、节理及软弱夹层发育，存在安全隐患。首先，在现场勘察和室内外试验的基础上，确定右坝肩1034m高程以上块体为最危险块体；然后，采用极限平衡法和三维有限单元法对此块体分别进行稳定性计算，极限平衡法计算所得块体在校核工况下稳定性系数为2.0，有限单元法计算所得块体在相应工况下稳定性系数为3.0，两者存在较大差异，故从物理和力学模型上对差异产生的原因进行了分析，发现有限单元法因屈服准则选取不合适导致稳定性系数计算结果偏高，而极限平衡法因夸大了拱端作用力导致稳定性系数计算结果偏低；最后，综合确定块体稳定性系数为2.4，未达到规范要求，建议对右坝肩1034m高程以上块体采取相应的治理措施。     

汶川地震对映秀湾水电站地下厂房的震害影响及动力响应分析

 映秀湾水电站是汶川“5.12”大地震距离震中最近的水电工程,该电站已投产多年,震时受到严重影响,地震影响烈度高达XI度。首先,根据震后现场考察,分析地下厂房受到的震害影响。调查表明,震后的映秀湾地下厂房围岩总体稳定,但主厂房内出现了局部震损现象,造成吊车无法正常运行;母线洞和交通洞与主厂房的交口处有外漆脱落、围岩轻微开裂现象。然后,根据距离震中最近的强震测站卧龙台在主震时监测到的数据,运用通用软件FLAC3D,对映秀湾地下厂房进行了动力响应分析。计算结果表明,地下厂房上、下游边墙在极短时间内发生的横向变形变幅分别达到5.4和3.0 cm,边墙部位围岩拉应力超过围岩抗拉强度,出现拉裂。动力响应分析结果与现场震损考察所反映的基本规律相符,可以从数值分析的角度大致解释在震害调查中所发现的震损现象,为水电工程震后修复加固和相关科研提供参考。     

坝基岩体开挖卸荷与分带研究——以小湾水电站坝基岩体开挖为例

 小湾坝基开挖引起了一系列岩体卸荷变形破坏现象,包括岩体中已有结构面的回弹松动与剪切错动,以及完整岩体的岩爆拱裂、薄板状破裂等新生破裂。开挖中岩体的新生破裂面在空间分布上有如下特点：破裂面产状与开挖面具有较好的一致性;在深度分布上,开挖卸荷破裂面相对集中在开挖面之下4～6 m的深度以上。岩体的卸荷变形破坏导致了岩体完整性的显著降低,但卸荷松动过程的主体部分多在几个月内完结。无论是岩体开挖卸荷还是河流天然切割卸荷都是一个能量释放过程,并且卸荷变形破坏具有显著的空间分布规律,因此采用能量方法研究岩体的卸荷分带是合适的。给出了岩体卸荷分带的应变能方法,小湾水电站的实际应用表明该方法是可行的、有效的。     

脆性岩石单轴循环加卸载试验及断裂损伤力学特性研究

 以向家坝砂岩单轴循环加卸载室内力学试验结果为基础,结合岩石内部微裂纹的细观力学分析,对脆性岩石单轴循环加卸载的应力–应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行研究。给出一种根据应力–应变曲线计算损伤变量的方法,损伤变量计算结果和声发射测试数据变化规律较为一致。试验结果表明,砂岩的循环加卸载强度要比单轴压缩强度要小很多,对于脆性岩石单轴循环加卸载的峰值强度来说,受到多种因素的影响。弹性常数计算结果表明,循环加卸载过程中泊松比逐渐增大,而弹性模量在第一次循环加卸载增大之后则缓慢减小。脆性岩石循环加卸载过程中,岩石损伤在逐渐累积,在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤会迅速增大,岩石宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应。