单调轴向荷载下钢筋混凝土拉伸损伤本构研究

在已有的连续损伤理论基础上,研究综合考虑混凝土损伤、钢筋混凝土粘结滑移、以及受拉刚化效应等因素的钢筋混凝土拉伸本构模型,所提出的模型可以由其中各元件的本构特性推导出钢筋混凝土受拉损伤本构.该模型可以表征混凝土损伤、配筋等参数与钢筋混凝土试件受拉特性之间的量化关系,可以用于分析配筋受拉试件的初裂荷载、裂缝宽度等.通过与试验数据的对比得出了一些很有意义的计算与分析结果.     

循环爆破荷载作用下小净距隧道围岩累积损伤特性研究

明确多循环爆破推进情况下小净距隧道围岩损伤演化特征有助于施工安全和围岩稳定.依托福州地铁2号线某区段小净距隧道工程,基于LS-DYNA完全重启动技术,结合现场中夹岩声波测试结果,研究循环爆破荷载作用下该区段小净距隧道5个开挖进尺内围岩的累积损伤演化过程.结果表明:围岩损伤范围和损伤程度随爆破加载次数增加而增加,每一循环爆破荷载下各段别均对围岩有不同程度损伤,MS7和MS9段爆破荷载对围岩损伤最大;实测和模拟结果表明在多次爆破后中夹岩体损伤沿测孔深度方向呈圆角的斜"L"形状,近爆破处岩体损伤较大于远爆破侧;在同一监测断面内围岩的累积损伤尤以段间爆破加载损伤程度最大,随着隧道开挖推进岩体的损伤范围逐渐趋于稳定,监测断面9m范围外的爆破扰动基本不再对监测部位围岩造成损伤.研究成果可为现场围岩的加固提供参考,也可为类似工程的提供理论依据.     

基于损伤演化的共混/填充高聚物体系本构关系研究进展

建立复合材料的本构关系是进行材料设计的基础性工作。针对共混/填充高聚物体系,总结了微损伤演化的基体规律,讨论了在考虑微损伤演化的情况下,材料体系的宏观本构关系研究的思路与主要研究成果。本文作者指出,在共混/填充高聚物体系的破坏过程中,还有很多重要机制需要进一步研究。例如,微孔洞成核和串通汇合过程的分析、夹杂之间的相互作用和基体的非线性对损伤演化的影响以及应变率和温度对损伤的影响等都需要进一步分析。     

隧道内爆炸作用下衬砌结构损伤机理及抗爆性能研究

为研究隧道内爆炸作用下衬砌结构抗爆性能,采用AUTODYN软件建立炸药-空气-衬砌结构-围岩与土体三维耦合体系模型,并考虑应变率对混凝土材料动力本构模型影响及炸药-空气-结构间流固耦合作用,分析隧道内爆炸荷载作用下衬砌结构动力响应及损伤机理,研究不同炸药量、衬砌结构配筋率及地质条件等对隧道衬砌结构抗爆性能影响。结果表明,隧道内爆炸作用下爆炸荷载存在振荡且沿隧道纵向、径向以不同规律衰减;损伤主要发生在衬砌结构底板、底板与侧帮及侧帮与拱肋连接部位;衬砌结构配筋率越高,围岩质量越好,衬砌结构损伤程度越低,隧道整体抗爆性能越好。     

考虑初始孔隙性的含瓦斯煤岩力学本构关系与损伤演化研究

冲击地压及瓦斯次生灾害更易在深部复杂的地质构造区域发生,其实质是煤岩介质在变化多样的地应力、采动应力与瓦斯共同作用下的力学平衡系统失稳过程,准确描述含瓦斯煤岩受载过程的力学关系是明确煤岩动力灾害孕育与发生机制的根本.考虑原生裂隙对煤岩力学性质的劣化特性,将其定义为初始损伤,理论推导了以孔隙率表征的初始损伤公式,综合考虑初始孔隙率、吸附瓦斯煤岩基质膨胀、瓦斯运移的软化特性及真三向应力状态,构建了基于非均匀性统计理论的含瓦斯煤岩损伤演化方程及力学本构模型,并定性分析了各参量对煤岩力学性质的影响规律.结果表明:当煤岩初始孔隙率越高时,任意截面的裂纹长度、宽度和条数均增加,有效面积减小,局部更易产生应力集中,损伤曲线在峰值损伤量更高及峰后段增长率略降低,反之,当均质度越高时,其峰值点处的损伤值越低,损伤演化越滞后并集中于峰后阶段发展,相应的损伤演化曲线斜率越大;随瓦斯压力升高,煤岩吸附产生的膨胀应力明显增加,吸附参量a、b值同样对膨胀应力具有促进作用;弹性模量和均质度对煤岩强度及峰后应力降模量均呈现为正相关影响,使煤岩冲击危险性增强;初始损伤和较高的瓦斯压力均促进了煤岩中裂隙的发育,降低了煤岩性质的均一性,使强度和峰后应力降模量减小而塑性特征越发显著并促进煤岩软化,这也是高瓦斯煤层冲击地压低于常规指标发生的原因.     

高应变率下含水红砂岩爆破损伤演化模型研究

基于直径50 mm的Hopkinson压杆装置,从宏观与微观两方面探究含水红砂岩在应力波作用下的力学特性与损伤演化机理,并将弹性模量定义的含水损伤与微元破坏数量定义的荷载损伤视为宏观损伤与微观损伤,基于Weibull理论与Drucker-Prager准则,推导得到红砂岩在含水率与应变率耦合作用下的复合损伤变量与动态损伤本构方程。研究表明,岩石损伤在一定范围内随含水率的增加而逐渐扩大,随着试样饱和,含水损伤趋于稳定。复合损伤变量与荷载损伤在应变率的作用下变化趋势近似,可分为初始阶段、低速发展阶段与快速发展阶段,代表了岩石在爆破冲击作用下的损伤演化过程,与含水红砂岩动态压缩破坏过程中应力-应变曲线的各个阶段相对应。将理论应力-应变曲线与实测应力-应变曲线进行对比,对建立的动态损伤本构模型准确性进行验证,发现该模型与含水红砂岩在动态压缩过程中的各个阶段拟合度较好,证明了该模型的准确性。     

交替爆破开挖下分岔隧道中夹岩损伤特征研究

明确在左右交替爆破施工情况下分岔小净距隧道中夹岩损伤规律，将有助于更好地保障隧道现场施工及围岩稳定。采用三维有限差分软件FLAC^3D模拟了爆破荷载作用下分岔小净距隧道交替开挖过程，重点研究了中夹岩在不同开挖工况下损伤分布及演化规律，最后通过厦门海沧疏港通道分岔隧道工程项目现场声波损伤范围检测结果进行了验证。研究结果表明：爆破产生应力波在分岔口产生反射形成拉应力，使得分岔口断面损伤更严重；隧道中夹岩损伤呈不对称“V”字分布，由中夹岩内部至轮廓线损伤逐渐增大，主隧道侧中夹岩最大损伤在90°～120°范围内，匝道侧中夹岩最大损伤在90°范围内，中夹岩厚度对中夹岩损伤有较大影响，随着厚度的增加中夹岩损伤程度降低且损伤范围未贯通左右隧道；通过模拟改变不同进尺、开挖错距及开挖顺序发现，与2 m进尺相比，5 m进尺完全损伤区提高了58.5%,损伤贯通区提高了70%,错距1步较错距4步工况完全损伤区增加了1.27 m,损伤贯通范围也出现一定增加，先开挖较小断面有利于中夹岩稳定，围岩损伤对称性较好，但远离中夹岩一侧岩体损伤会出现扩大，数值模拟结果与现场实测结果基本一致。模拟结果为该...     

隧道仰拱底鼓机理及列车振动荷载影响研究

为研究列车振动荷载下隧道仰拱结构既有底鼓病害的扩展特性,探究列车动载对仰拱底鼓的放大效应,从围岩静载作用下仰拱底鼓的破坏模式出发,基于现场实测数据,利用动态扩展有限元模型,研究列车动载下各底鼓破坏模式的扩展规律及特性。结果表明:影响仰拱底鼓的主要原因有围岩静载、仰拱结构自身特征以及列车动载,仰拱底鼓模式主要有W型底鼓、LJ型底鼓以及H型底鼓。列车动载的加入改变了仰拱底鼓裂缝的扩展规律,缩短了裂缝贯通的时间,列车动载循环100次后裂缝贯通时间仅为围岩静载时的50%左右,循环10000次后裂缝贯通时间仅为围岩静载时的25%左右。围岩与仰拱间的接触压力斜率随着动载的加入而提高,提高的幅度与动载的循环次数正相关。     

地下列车移动荷载作用下隧道及自由场的动力响应解

针对地下列车运行引起的隧道和自由场上的振动响应问题,利用隧道-自由场动态相互作用系统在隧道轴线方向上的一致性或周期性,采用Fourier变换和Floquet变换等方法,在频率-波数域内推导了在移动荷载作用下隧道及自由场的动力响应解,此解把地下列车运行引起的动力响应问题归结到计算频率-波数域内的传递函数和频域内的移动外荷载的问题上,传递函数采用三维周期性有限元-边界元耦合的数值模型来计算,移动外荷载主要考虑为频域内轨道不平顺情况下的轮轨接触力.利用此动力响应解对北京地铁1号线东单站至建国门站区间的动力响应进行了计算,计算结果表明此方法具有良好的适用性.     

冲击荷载作用下混凝土动态本构模型的研究

基于混凝土冲击荷载作用下的实验研究,以修正Ottosen四参数破坏准则为屈服法则,引入损伤,构造了一个动态本构模型用于描述混凝土材料的冲击特性。宏观上,假设混凝土材料是一个均匀连续体;而从细观角度来看,混凝土材料内部存在大量随机分布的微裂纹损伤。假设微裂纹均匀分布,且符合理想微裂纹体系统条件,定义含裂纹材料中单位体积内微裂纹所占的比例来表征微裂纹损伤所引起的混凝土材料宏观力学性能的劣化,并给出了损伤的演化方程。通过模型计算模拟结果与实验结果比较发现,模拟曲线与实验曲线拟合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。     

不同时速列车振动荷载下衬砌拱圈振动响应传递规律

通过高速铁路隧道衬砌振动响应的现场试验,发现隧道衬砌拱圈在列车荷载作用下,其振动加速度幅值随车速的增大而增大,且拱圈横向振动与竖向振动呈现不同的传递规律。文中开展理论分析与仿真计算,建立ABAQUS有限元平面模型,采用动力隐式算法对不同车速列车荷载作用下的隧道衬砌拱圈振动响应问题进行了理论分析,得出以下结果：有限元数值计算结果与实测结果基本吻合,可用作对实际测量数据的补充与预测;隧道振动响应随列车速度的增加而呈现增大趋势;不同车速引起的衬砌振动加速度响应传递规律一致;不同车速引起的衬砌竖向振动加速度幅值在拱顶位置较小,且随列车时速增大而变化不明显;衬砌拱顶横向振动明显随列车速度的增大而增大,但不同车速引起的衬砌横向振动在隧道圆心水平位置（即0°与180°）随列车时速变化不明显,且振动幅值较低;拟合了不同时速列车引起的隧道衬砌横向与竖向振动加速度的经验公式。     

盾构隧道衬砌结构性能演化分析与思考

在中国交通强国战略背景下,特长、超大、超深、高密度的盾构隧道工程建设逐年增多,对隧道衬砌结构的力学性能和耐久性都提出了更高要求.该文在广泛调研国内外文献的基础上,系统总结了传统的盾构隧道结构设计理论与方法与发展趋势,深入探讨了盾构隧道结构力学性能与耐久性研究的现状和不足,并对目前盾构隧道结构性能检测技术和评价方法进行了...     

EARLY-STAGE EVOLUTION OF PARTICLE SIZE DISTRIBUTION DUE TO GRAVITATIONAL COAGULATION

ABSTRACT

Evolution of the particle size distribution of an aerosol undergoing gravitational coagulation in early time stages was numerically investigated. The moment method was also applied in initiating a simple approach to the changes of particle size distribution parameters. Finally, an analytical solution was developed approximating the collision kernel into a form suitable for the analysis. The results underwent analysis by comparison. The derived analytical solution was found to be in good agreement with the numerical moment method. However, the results of the moment method do not exactly coincide with the results of the direct numerical integration because the particle size distribution does not attain the log-normal size distribution form.     

EARLY-STAGE EVOLUTION OF PARTICLE SIZE DISTRIBUTION DUE TO GRAVITATIONAL COAGULATION

Evolution of the particle size distribution of an aerosol undergoing gravitational coagulation in early time stages was numerically investigated. The moment method was also applied in initiating a simple approach to the changes of particle size distribution parameters. Finally, an analytical solution was developed approximating the collision kernel into a form suitable for the analysis. The results underwent analysis by comparison. The derived analytical solution was found to be in good agreement with the numerical moment method. However, the results of the moment method do not exactly coincide with the results of the direct numerical integration because the particle size distribution does not attain the log-normal size distribution form.     

饱和分数导数型粘弹性土-深埋圆形隧洞衬砌系统的动力特性

在频率域研究了分数导数型粘弹性饱和土体和深埋圆形隧洞弹性衬砌相互作用的耦合简谐振动。将土骨架视为具有分数阶导数型本构的粘弹性体,基于饱和多孔介质理论和平面弹性理论,分别给出了饱和粘弹性土、弹性衬砌简谐振动的解析解。通过弹性衬砌和饱和土接触面处的连续性条件和衬砌内边界条件,得到了饱和粘弹性土-衬砌系统的稳态动力响应,给出了衬砌和饱和粘弹性土位移、应力和孔隙压力的解析表达式。在此基础上,进行了参数研究,讨论了物理和几何参数对系统响应的影响。研究表明:饱和分数导数型粘弹性土-衬砌系统的动力响应与经典饱和弹性/粘弹性土-衬砌系统的动力响应差异很大。     

地铁隧道钻爆法施工影响下混凝土结构损伤预测方法研究

结合青岛地铁隧道下穿建筑物的工程实践,通过数值模拟的方法,分析了爆破振动影响下混凝土结构的应力分布,基于Ottosen和过-王2种混凝土破坏准则,推导了适用于混凝土材料的屈服接近度模型,进而得出了混凝土结构的损伤分布范围和演化过程。以地表沉降实测数据为基础,利用随机介质理论方法反分析地表移动参数,并利用所得的参数对下穿建筑物时进行了沉降预测,由此实现了对不同沉降量和爆破振速共同影响下建筑结构开裂损伤的量化评估与控制研究。结果表明：在建筑结构的开裂损伤演化中,地表沉降的影响程度远大于爆破振动的影响程度。     

循环载荷作用下钢纤维混凝土的损伤及演化行为的定量描述

基于对轴向循环压缩载荷作用下钢纤维混凝土损伤行为的试验研究，给出了一种适宜工程应用的钢纤维混凝土损伤程度的定量计算方法，并导出了描述其损伤演化的力学模型。与实验结果的对比表明，理论损伤演化模型较好地反映了实测钢纤维混凝土的损伤演化行为。     

隧道初期支护结构受力特性及适用性研究

复合衬砌是目前隧道支护结构的基本形式,即由初期支护与模筑混凝土二次衬砌结构复合而成。按照新奥法原理进行设计和施工时,在围岩稳定性较差的条件下,初期支护通常采用由喷射混凝土与型钢钢架或格栅钢架及锚杆组成的组合结构,但在采用型钢钢架还是格栅钢架支护问题上一直存在不同的观点,其争论的焦点是对其支护结构性能及其适应性的认识,核心则是“支护-围岩”作用体系中支护结构的作用及其演化过程特点,而在不同围岩及工程尺度条件下其作用效果也有所不同。为此,该文首先通过型钢钢架和格栅钢架的室内性能试验,对两种支护结构的受力特性、破坏过程及演化特征、极限承载力及变形量等进行了系统的研究;然后通过有限元组合结构进一步分析了型钢钢架和格栅钢架的受力特性、极限承载力和变形特性;最后结合京沪高铁金牛山隧道现场试验,取得了两种支护类型下围岩荷载释放规律和压力分布特点,并分别给出了型钢钢架与格栅钢架的特点和最佳适用条件。该成果对于澄清支护作用机制以及隧道初期支护设计和施工具有重要的理论价值和指导作用。     

准饱和粘弹性土-隧道衬砌系统的动力特性

将衬砌和土骨架分别视为多孔弹性材料和具有分数阶导数本构关系的粘弹性体,在频率域内研究了饱和度对分数导数型准饱和粘弹性土-半封闭圆形隧洞弹性衬砌系统动力特性的影响。将水-气混合物视为一种均匀流体,基于Biot两相动力固结理论和弹性理论,分别得到了简谐轴对称荷载和流体压力作用下分数导数型准饱和粘弹性土的位移、应力和孔压以及衬砌的位移和应力解析表达式。利用衬砌内边界上的边界条件及土体和衬砌界面处的连续性条件,得到了待定系数的具体表达式。通过算例分析,发现：衬砌和土体相对渗透系数对孔压幅值的影响与饱和度有关;流体压力作用下,随着饱和度的减小,位移幅值逐渐增大。另外,分数导数模型参数对系统动力响应有较大影响。     

内水压作用下粘弹性饱和土-隧洞衬砌相互作用

混凝土衬砌既有粘弹性性质,又有渗透性。实际工程中内水压力值由衬砌和孔隙水共同承担,该文通过引入与孔隙流体体积分数有关的应力系数合理地分配了衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值。根据衬砌和土体界面处衬砌中流体速度和土体中流体速度相等以及应力和位移连续性条件建立了部分透水边界条件。将衬砌和土体分别视为多孔粘弹性材料和液固两相介质,采用饱和多孔介质理论和粘弹性理论,在频率域内给出了内水压力作用下粘弹性饱和土-衬砌相互作用时饱和粘弹性土位移、应力和孔压和衬砌的位移和应力解析表达式。进行了参数研究,表明：应力系数以及衬砌和土体相对渗透系数对系统动力响应影响很大。另外,应力系数合理地确定了边界衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值。