基于离散元法的爆炸荷载作用下钢框架倒塌模拟

在杆系结构弹性离散元(DEM)方法基础上,进一步发展了可考虑截面塑性开展的DEM纤维本构模型,构建了构件断裂模拟算法,并将该方法应用于钢框架结构在爆炸荷载作用下的动态响应和倒塌破坏全过程模拟。结果表明:纤维模型可以考虑截面塑性开展以及损伤演化过程,断裂算法能有效地模拟构件的失效过程及破坏模式;在爆炸荷载作用下,边柱先于中柱失效,且钢柱产生了不可恢复的塑性变形直至断裂,最终丧失承载力导致钢框架发生整体倒塌。该方法为今后研究大型或超大型杆系结构的大变形、材料非线性以及构件断裂等复杂力学行为提供了一种新的数值分析手段。     

离散元法在节理岩体爆破振动分析中的应用

采用自编的离散元刚性块体计算程序,模拟了不同药量时节理岩体中集中药包的爆破过程,计算所得垂直振动速度波形和频谱基本上满足试验测定波形的特点.对计算得到的最大垂直运动速度幅值和频谱进行拟合,结果与试验数据吻合较好.同时,计算结果显示,振动波与节理走向的夹角不同,垂直运动速度波幅值和主频的衰减规律也有所不同,这与真实岩体中波传播特性相符合.     

拉剪作用下节理岩体锚固力学分析模型

 现有锚固理论不能反映节理岩体锚固的内在力学机制。基于节理岩体全长黏结型锚杆锚固的地质变形特征,根据加锚节理岩体超静定梁模型,将超静定梁转化为受到挤压分布力、轴力和剪切力共同作用的静定梁模型,探讨拉剪作用下节理岩体锚固的受力与变形的演化规律。基于结构力学理论,考虑锚杆横向剪切变形段荷载与变形的内在物理关系、位移相互协调关系以及由能量原理导出的平衡关系,建立拉剪作用下节理岩体锚固的力学分析模型,进一步提出拉剪荷载作用下的节理面一侧锚杆横向剪切变形段长度的计算方法。研究表明,加锚节理岩体受锚杆轴向拉力和销钉效应共同作用,节理面处锚杆轴力和剪力呈抛物线耦合关系;锚固角越大,锚杆销钉效应越显著。节理面一侧锚杆横向剪切变形段的长度随锚固角的增加而增大,但锚杆抗力随锚固角的增加而降低。与试验数据的对比分析表明,理论模型的计算结果与试验结果吻合较好,验证了该模型的合理性。研究结果可为节理岩体锚固研究及工程应用提供参考。     

节理岩体宏观力学参数的计算机模拟试验

本文借助力学理论与计算机方法,并在地质调查的基础上,对三峡工程船闸区典型地段的岩体进行了计算机模拟试验,用研究节理对宏观力学参数的影响以及宏观力学参数的结构效应。     

节理岩体隧道围岩稳定性离散元数值模拟

概述节理岩体特性及离散元法基本原理,结合实际工程,采用离散元软件UDEC对节理岩体隧道围岩稳定性进行分析,数值模拟结果与实际工程施工情况吻合良好。同时,基于计算结果及应力和能量判据,较为准确地对隧道工程岩爆进行预测。分析表明用UDEC进行富含节理岩体的隧道开挖数值模拟具有一定可行性。     

拉剪条件下节理岩体中锚杆的力学作用分析

在分析穿过节理的锚杆与岩体相互作用的机理后，采用线弹性断裂力学的方法，分析在拉剪综合作用下锚杆对裂纹尖端应力强度因子产生的贡献，并揭示了各种应力作用情况以及锚杆与节理面之间不同的夹角下锚杆的作用规律。计算分析结果表明，锚杆的作用使节理端部的应力强度因子发生转换，从而明显降低了对岩体破坏产生主要作用的应力强度因子。这是锚杆能够加固节理岩体的重要原因。     

节理岩体刚度参数选取与三维离散元模拟

针对结构面刚度参数的难点问题,利用离散元程序3DEC进行数值计算。通过岩石结构面直接剪切试验研究并结合理论分析,得到刚度参数表征经验公式,并采用三维离散元数值分析法对室内试验结果进行了验证。研究结果表明,利用数值试验能够得到与室内试验较为一致的结果,说明经验公式法选取的刚度参数能够较好地反映结构面剪切破坏前的变形特征。通过对Bandis经验公式重新引入修正函数f(τ/τp)后求得的剪切刚度Kst能够更好地反映剪切破坏前结构面的剪切变形特征。     

断续节理岩体随机模型三维离散元数值模拟

针对断续节理岩体提出了一种随机计算模型。在该模型中，假设结构面的形状为正方形，通过岩体结构面的统计分布函数模拟结构面的空间随机分布。给出了随机节理模型的实现方法，对该随机模型的算法可靠性进行了验证。通过单向加载模拟试验研究了节理岩体破坏强度与节理倾角及节理连通率等因素的关系，并与极限平衡条件推导的理论结果进行了比较，分析了数值模拟结果与极限平衡理论结果的异同性，进而验证了节理随机计算模型的可靠性。同时，研究了节理连通率与岩体等效弹性模量之间的影响关系，给出了二者的影响关系式。     

爆炸荷载作用下深部岩体动态力学特性研究

随着国民经济的发展,我国对能源的需求越来越大。煤炭掘进以爆破法为主,随着煤炭开采深度越来越深,面对的工程地质环境也越来越复杂。与浅部岩层相比,深部岩层受到高地应力,尤其是侧向高应力作用,爆破开挖对围岩产生的破坏和扰动作用更大,容易引发岩爆灾害。可以通过SHPB装置,研究岩石在不同围压、轴压作用下的应力应变情况以及与岩石弹性模量的关系。     

刀具动态作用下节理岩体破坏过程的数值模拟

基于细观损伤力学和动力有限元方法,模拟分析了节理岩体在刀具动态荷载作用下的损伤破裂过程,探讨了节理间距和节理角度的影响。在动力分析模型中,通过考虑黏弹性边界以排除边界应力波反射的影响,提高了计算精度。数值模拟结果表明,节理的存在改变了岩体中应力波的传播模式。一方面,节理面反射的拉伸应力波加剧了节理与刀具间岩体的碎裂;另一方面,软弱节理面破坏吸收了应力波能量,阻碍了应力波向下的传播,减弱了下部岩体的破坏程度。模拟结果还表明,节理间距越小,岩体破坏程度更加明显。倾斜节理的存在使刀具下部的裂纹出现不对称性扩展特征,影响了主裂纹向下扩展的能力,限制了其伸展的空间。节理岩体在刀具动态作用下的破坏过程研究还很少见到,研究结果对于节理岩体动态破坏的机理以及地下工程开挖等实际应用,具有一定的参考价值。     

ON USING DEM FOR SIMULATING RESPONSE OF JOINTED ROCK TO UNDERGROUND EXPLOSION

To verify the capability of DEM in modeling the dynamic response of rock masses to blasting loads, two underground explosion tests are numerically Investigated, Results show that rock joints can significantly affect the transmission and the attenuation of shock waves, and can therefore influence the stability of the adjacent underground structures. Rock joints act as a kind of filters through which only low-frequency components of the shock waves are allowed to pass, and the high-frequency components of the shock waves do no harm to far-field tunneis if a predominant joint set exists in between. The spacing of joint set can also remarkably affect the propagation process, It Indicates that as a discontinuum-based numerical approach,DEM is good at simulating the propagation and attenuation of blasting wave in jointed rock masses, and in modeling the stability of underground structures subjected to blasting loads.     

黄麦岭采场边坡爆破振动响应研究

通过现场爆破振动监测和声波测试，分析了爆破开采时黄麦岭磷矿采场边坡的振动速度衰减规律，并确定了爆炸荷载对边坡岩体的影响程度。同时，结合振动监测和声波测试结果，初步确定了黄麦岭边坡的安全速度阈值标准。     

节理岩质边坡地震时程响应分析

通过对节理岩质边坡输入6组不同频率、波形的模拟及实测地震波进行计算,研究边坡在地震过程中的变形时程响应。根据对预置监测点的位移时程曲线的分析,将边坡在地震过程的变形可划分为变形启程、变形累积及稳定(失稳)3个阶段及启程剧动、临界变形2个关键点;并通过对边坡动力响应规律的总结和探讨,验证节理岩质边坡在地震过程中,位移的边缘放大效应。计算结果表明：等效地震波波形和频率对计算结果有较大影响,4种不同波形的正弦波产生的极限位移相差1倍,采用振幅由小到大的正弦波替代实测地震波能获得更为接近实际情况的计算结果。地震波频率的高低对边坡的累积变形影响较大,高频快速振动会加速边坡变形的累积和失稳,地震波的高频部分控制边坡的累积变形,低频部分控制边坡变形的启程。     

地下隧道在临近隧道爆破作用下的安全评估

A numerical simulation method is proposed to evaluate the underground tunnel safety against explosion in adjacent tunnels. The dynamic constitutive relation used for rock material in the present study consists of a continuum damage model with the damage scalar depending on an equivalent tensile strain, a modified piecewise linear Drucker-Prager strength model allowing for the material strength degradation with damage, and a modified linear equation of state. The numerical model is calibrated by simulation of independent field explosion tests. Parametric study regarding the effect of the adjacent tunnel distance on the dynamic responses of underground tunnel is carried out. Failure zone around the explosion tunnel, and stress, strain and velocity on the adjacent tunnel wall are calculated. Safe separation distance between the adjacent tunnels is predicted and compared with empirical result.     

SAFETY ASSESSMENT OF UNDERGROUND TUNNEL SUBJECTED TO ADJACENT TUNNEL EXPLOSION

A numerical simulation method is proposed to evaluate the underground tunnel safety against explosion in adjacent tunnels. The dynamic constitutive relation used for rock material in the present study consists of a continuum damage model with the damage scalar depending on an equivalent tensile strain, a modified piecewise linear Drucker-Prager strength model allowing for the material strength degradation with damage, and a modified linear equation of state. The numerical model is calibrated by simulation of independent field explosion tests. Parametric study regarding the effect of the adjacent tunnel distance on the dynamic responses of underground tunnel is carried out. Failure zone around the explosion tunnel, and stress, strain and velocity on the adjacent tunnel wall are calculated. Safe separation distance between the adjacent tunnels is predicted and compared with empirical result.     

岩石含损伤本构模型和地下爆炸效应研究

通过对岩石变形和破坏机理的深入研究，建立了岩石类材料宏观，细观相结合的含损伤本构模型。并在此基础上开展地下爆炸效应和波传播规律的研究，分析了本构模型及其参数对地下强爆炸引起的岩石动力响应和爆炸波传播规律的影响，为提高准确预测地下岩石中强爆炸激发的震震源的能力提供合适的计算方法和理论依据。首先对岩石类脆性材料本构模型和地下爆炸效应的研究进展进行了较为全面，系统在回顾和总结，对现有的各种动态损伤模型进行了比较和评述，并对当前的研究热点及趋势作了讨论，在此基础上，得到了解决本课题理论难点的思路和方法。采用Taylor方法，对Margolin的理论进行改进，考虑了不同应力状态下微裂纹的张开，闭合及裂纹面摩擦对裂纹体材料性质的影响，获得了轴对称应力条件下考虑摩擦的附加应变的各种解析表达式。针对工程需要进行简化，得到了不同应力状态下的有效模量，建立了含微裂纹损伤的本构模型。通过数值计算，研究了不同的应力状态，围压以及微裂纹面上的摩擦对材料力学性能的影响，得出一些有意义的结果和规律。以热力学理论和本构理论为基础，计入了微孔洞和微裂纹对材料力学性能的影响，建立了一种改进的岩石类材料含损伤弹性本构模型，首次从热力学势函数和微裂纹统计平均方法出发，提出了同时考虑微孔洞和微裂纹影响的增量型应力-应变关系，基于实验结果，针对岩石硬化，软化和破坏等不同阶段的细观损伤机理和宏观变形特点，给出了具有不同函数形式的屈服面表达式。采用非相关流动法则，对Rubin模型加以简化并结合Griffith准则，分别建立了岩石类材料的塑性流动律以及微孔洞和微裂纹损伤的演化律，采用建立的含损伤本构模型成功地拟合了花岗岩三轴压缩试验数据，并获得了模型中的材料参数。运用有限差分法研究了脉冲载荷下岩石介质中一维应变波的传播规律，着重分析了本构模型及其参数对一维应变波在岩石类损伤软化介质中演化规律的影响，并通过两种模型（弹塑性模型和含损伤弹塑性模型）的对比分析，提示了岩石类脆性材料中应力波传播的主要特点。基于一维有限差分程序，嵌入改进的动态本构模型，对封闭式地下强爆炸开展数值模拟研究。着重分析了本构模型及其参数对地下强爆炸引起的岩石动力响应和爆炸波传播规律的影响，数值计算获得的速度和压力峰值衰减，位移和速度波形、爆炸空腔，震源函数等物理量，与国外地下试验及数值模拟结果十分接近，进一步验证了本构模型的有效性，从而提高了预测地下岩石中强爆炸激发的地震震源的能力，为空腔解耦研究打下基础，据作者所知，目前，国内这方面的工作尚未见到有类似的研究结果。     

爆破荷载作用下黄麦岭磷矿岩质边坡动态响应的UDEC模拟研究

运用二维离散单元程序UDEC，模拟了爆破荷载作用下黄麦岭磷矿采场岩质边坡的动态响应，并将计算结果与现场监测结果进行了比较。结果表明，两者吻合得较好。因此，UDEC应用于模拟爆破荷载作用下边坡的动态响应研究是适合的。     

岩石中强爆炸动力学过程数值模拟

在地下结构抗强爆炸作用的安全和防护研究中，需要对强爆炸的力学效应进行三维数值模拟。强爆炸的早期过程很复杂，在计算强爆炸的力学作用时一般可将其初始反应阶段结束时刻作为初始时刻，把强爆炸力学作用过程简化为铁蒸汽球等熵膨胀过程中对周围介质的作用。利用LS-DYNA^3D软件的用户自定义材料模型接口，将上述简化的强爆炸源作为一种独立的材料模型，实现了LS-DYNA^3D软件模拟强爆炸力学作用的功能。使用加入了强爆炸模型后的LS-DYNA^3D软件计算了花岗岩中强爆炸自由场应力波参数和空腔解耦强爆炸对壁面的压力，得到的结果与实测值和其他学者研究结果符合较好。研究结果为各种地下结构受强爆炸作用问题的三维数值模拟提供了计算工具。     

岩石的连续损伤本构模型及在地下爆炸波数值计算中的应用

针对地下爆炸波的基本特点，提出了一种适用于干岩并便于嵌入爆炸应力波数值计算的弹塑性连续损伤本构模型。该模型考虑了含孔隙和微裂纹岩石的剪胀效应和软化效应，并根据岩石不同变形阶段的特征，给出了不同的屈服面形式和损伤演化方程。地下强爆炸波的数值模拟计算结果显示，所建模型是合理的和有效的。