大理岩真三轴卸载强度特征与破坏力学模式

深部高储能岩体开挖导致应变能释放,并引起快速的卸载破坏,形成岩爆等严重的工程灾害。根据锦屏水电站地下厂房工程环境以及开挖扰动特征,采用真三轴卸载实验、声发射监测、SEM电镜扫描等手段,对高储能岩体在不同应力路径与荷载速率下的卸载强度和破裂演化特征进行研究。实验结果表明:真三轴卸载条件下,大理岩宏观破坏与常规压缩实验过程有显著差别,高储能岩体受卸载路径及卸载速率控制,表现出原位强度为c0.45σ~c0.6σ。结合SEM扫描电镜图像以及声发射参数特征揭示,大理岩卸载破坏呈现张性萌生–剪切交汇–贯通破坏的渐进过程,并受不同的应力路径、卸载速率影响显著。基于上述卸载渐进破坏力学模式,采用劈裂界线、修正的Griffith强度曲线和非线性Mohr-Coulomb强度曲线的组合来解释原位岩体破坏的"S"型曲线规律。研究结果为认识不同条件下地下工程建设中岩爆等快速卸载破坏的形成机制提供理论依据。     

煤破坏过程中的温度演化特征实验研究

 以红外热像仪和数字散斑相关方法作为试验观测手段,对一种煤试件进行实验研究,观测和分析煤试件从变形到破坏过程中的变形演化、温度演化及二者的对应变化关系。研究结果表明：(1) 煤试件变形场演化主要体现为初期的均匀变形演化到加载峰值前的变形集中带形成,加载峰后阶段主要为变形集中带的加速滑动;(2) 煤试件温度场演化在加载峰前由于受压应力作用,内部质点间距发生改变的热力耦合效应引起温度上升,在加载峰后阶段由于变形集中带内煤体受拉剪作用及变形集中带的滑动,引起温度降低;(3) 煤试件在变形破坏过程中存在明显的温度场变化,且变形集中带内、外温度演化特征相似,加载峰前阶段温度增加,加载峰后阶段温度降低,但变形集中带内温度总体高于带外温度。     

近爆荷载作用下PC柱动力响应及破坏模式数值模拟研究

随着装配式建筑在我国的推广应用越来越广泛,装配式构件在爆炸荷载下的性能值得深入研究.利用LS-DYNA显示动力分析软件对PC柱在近爆荷载下的动力响应及破坏模式进行数值模拟分析.计算了PC柱在8 kg TNT爆炸当量,爆炸距离(TNT炸药中心至结构表面)为0.6 m,比例距离为0.3 m/kg1/3动力响应,分析轴压比、混凝土强度等级、截面惯性矩以及箍筋、纵筋配筋率对PC柱抗爆性能的影响,并与普通RC柱进行了对比研究.研究发现,有无轴压比对PC柱的抗爆性能影响很大,存在轴压比的时,PC柱的侧向位移明显较小.提高混凝土等级,增大截面惯性矩以及增加纵筋配筋率均可提升PC柱抗爆性能,箍筋配筋率影响较小.在相同模拟工况下,RC柱与PC柱破坏形式有所不同,PC柱表现出了更好的抗爆性能.     

某坑道破坏特征的地质力学模型实验研究

应用相似理论,采用地质力学模型实验对坑道破坏特征进行了研究.模型实验采用自行研制的模型材料、加载系统和约束维护结构,通过对地层物理力学指标、地应力场、洞室开挖过程等的模拟,研究了土体坑道的破坏形态.采用微型高精度位移量测技术和应力量测技术等,对坑道在开挖和超载破坏过程中的位移和应力变化情况进行了量测,通过数据分析对坑道开挖与加载破坏过程中的围岩应力分布有了初步认识,并对模型地层中坑道破坏的内在机理进行了探索.     

真三轴加卸载条件下组合煤岩冲击破坏特征研究

采用真三轴试验系统对煤岩组合体开展加卸载实验,探究不同煤厚比例组合体的力学行为响应特征,分析煤厚比例对组合体冲击破坏特征的影响规律。结果表明:(1)随着煤厚比例的增加,试样形成较多的X型共轭剪切裂纹,强度呈现出明显的下降趋势,下降梯度逐渐减小,冲击破坏特征逐渐明显;(2)试样变形主要发生在初始应力加载阶段及垂向应力再加载阶段,最大主应变是试样变形的最主要构成部分;(3)不同煤厚比例试样的全应力–应变曲线特征相似,随着煤厚比例的增加,试样的塑性变形逐渐增加。根据实验结果分析,在开采及地质条件相似情况下,底板冲击趋势随底煤厚度的增加而增加,增加梯度逐渐降低;当底煤厚度增加到一定程度时,底煤厚度的再增加对底板冲击无明显叠加影响。研究成果可为深入认识底板冲击地压发生机制及建设防控技术中试平台并开展工程仿真研究提供参考。     

连通容器预混气体泄爆研究

采用实验和数值模拟相结合的方法,对球形连通容器内甲烷-空气预混气体爆炸泄放过程中爆炸压力、流场变化和火焰传播行为进行分析。研究表明:与单容器泄爆相比,连通容器泄爆时容器中压力变化更加剧烈;当小容器作为传爆容器时泄爆压力峰值更高,压力上升速率更快,不能用单容器的泄爆方法设计连通容器的泄爆;受管道火焰加速、压力累积和压力振荡作用的影响,传爆容器和起爆容器先后发生湍流燃烧;破膜泄爆时火焰和高温气流从泄爆口高速喷出,在外流场继续剧烈燃烧,易造成二次伤害。     

岩石损伤破坏过程中分形与逾渗演化特征

通过细观非均匀单元破坏事件的累积来反映岩石宏观上的逐渐损伤,而通过分析破坏单元的三维空间位置来建立岩石破坏过程中的分形和逾渗模型,并采用RFPA3D软件来模拟不同随机分布的岩石在单轴加载条件下的破裂过程,研究岩石在逐渐损伤破裂过程中的微破裂的分形与逾渗演化特征。微破裂的分形和逾渗特征反映了岩石的非均匀程度,岩石损伤破裂分形维数随着均质度和单轴抗压强度的增加而变小。逾渗分析也表明,在非均匀程度较高的岩石中破坏单元分布更为弥散。当外加载荷逐渐增加时,破裂集团和分形维数都表现出逐渐增加的趋势,但外载达到临界值时,应力突然下降的同时伴随着破裂单元急剧增多、破裂集团合并减少以及微破裂、分形维数增加等突变行为。模拟结果表明,岩石破裂过程中的分形和逾渗变化的规律性并不是偶然的,不同层次(不同尺寸)的岩石材料其力学行为具有的自相似性才是问题的本质。     

山洪作用对砌体结构倒塌破坏的分析

结构连续倒塌已成为严重威胁公共安全的重要问题,随着计算机水平的不断提高,数值模拟成为研究结构倒塌的主要手段.本文采用动力学分析软件LS-DYNA对砌体结构房屋在山洪作用下的破坏进行了数值模拟.从结构整体变形、关键点位移、速度和系统能量出发认识结构破坏机理.得出构造柱的延性对抵抗倒塌很重要.     

三轴循环荷载下页岩变形及破坏特征试验研究

前期工作已经研究了含裂隙页岩在单轴循环荷载下的变形及破裂特征,为进一步认清围压与循环荷载耦合作用下的变形及破坏特征,利用MTS815.03岩石刚性压力机展开了对含裂隙页岩的三轴循环加卸载试验研究。试验结果表明：在三轴循环荷载下,含裂隙页岩的破坏形式主要为混合破坏,呈现出拉剪贯通模式;随围压逐渐增大,页岩的峰值强度呈线性增大,完整页岩经11周加卸载循环后,峰值强度增大9.98%～25.03%;而含裂隙页岩经15周加卸载循环后,峰值强度增大1.47%～6.98%;含裂隙页岩在同一循环内的弹性模量大于变形模量,卸载弹性模量大于加载弹性模量,卸载变形模量大于加载变形模量,并且损伤面积系数F越大,卸载弹性模量与加载弹性模量的差值也越大;随循环加卸载次数逐渐增加,加载变形模量与卸载变形模量呈先增大后单调减小的规律,加载弹性模量与卸载弹性模量表现出先增大,后逐渐呈“波浪式”减小的规律,剧烈波动的弹性模量是内部结构不断发生局部调整的有效证据。该研究为揭示在围压与循环荷载耦合作用下含裂隙页岩破坏形成复杂裂缝网的发展机理提供了有益参考。     

三轴加卸载下花岗岩脆性破坏及应力跌落规律

基于2种卸荷应力路径和常规三轴压缩试验,研究了加卸载条件下花岗岩的变形破坏及应力脆性跌落特征.卸荷条件下岩石变形主要是向卸荷(主)方向回弹或拉伸变形为主,而非或次卸荷方向的塑性变形很小,峰后应力应变曲线呈现明显的脆性特征.而加载条件下岩石以轴向压缩变形为主,且压缩塑性变形随围压增大而增大;卸荷条件下破坏岩石各种级别的张...     

黄岛地下水封洞库库区三维裂隙网络模拟

 低渗透性的裂隙岩体是地下水封石油洞库建库的最佳选址区,裂隙网络模拟技术是研究离散裂隙渗流的有效手段。以黄岛地下水封洞库库区渗透性研究为出发点,在地表裂隙调查与钻孔裂隙统计的基础上,运用离散裂隙模拟软件DFN对洞库区进行三维裂隙网络模拟,得出模拟区导水系数分布图以及ZK13钻孔连通性分布图,通过将模拟结果与野外试验结果对比,认为模拟结果合理可信。实例分析表明,模拟结果能较为深刻地揭示裂隙水渗流的本质,可为后续的洞库水封效果及涌水量评价提供参考。     

回采工作面多巷布置留巷围岩变形特征与支护技术

 以晋城矿区回采工作面多巷布置留巷为工程背景,基于大量实测数据,分析留巷围岩变形与破坏的特征及机制。采用数值模拟软件FLAC3D研究巷道布置方式、煤柱尺寸、回采工作面宽度等参数对留巷围岩变形与破坏的影响,分析留巷及采煤工作面周围的应力分布。在此基础上,提出适合留巷特点的巷道支护形式与参数。在井下进行支护试验,监测留巷从掘进到报废全过程的围岩位移与支护体受力,评价支护效果。研究结果表明：留巷在受到本工作面超前支承压力作用后,围岩位移虽有增加,但变化不大;在本工作面后方一定距离围岩位移急剧增加,并在50～200 m范围内位移速度达到最大值,之后逐步趋于稳定;当留巷受到下一个工作面超前支承压力作用后,围岩位移再次显著增加。留巷围岩变形与巷道布置方式、煤柱尺寸及回采工作面参数密切相关。高预应力强力锚杆与锚索支护、全锚索支护是比较适合留巷的支护方式,能够大幅度减少围岩位移,保持巷道长期稳定。最后分析存在的问题,并提出改进意见。     

非标准混凝土三点弯曲梁双K断裂韧度试验研究

采用跨度和初始缝高比恒定的非标准混凝土三点弯曲梁试件,以双K断裂理论为基础,根据改进的断裂韧度计算方法,通过试验实测试件的荷载与裂缝张口位移全过程曲线,计算不同初始裂缝长度和不同试件截面高度的非标准混凝土三点弯曲梁试件的有效裂缝长度a_c、起裂断裂韧度k ⁱⁿⁱ _IC和失稳断裂韧度K ^un _IC。试验结果表明：非标准混凝土三点弯曲梁试件的起裂荷载F_ini 、最大荷载F_un以及有效裂缝长度a_c均随跨高比的减小而增大;裂缝亚临界扩展量Δa_c、起裂断裂韧度k ⁱⁿⁱ _IC和失稳断裂韧度K ^un _IC均与跨高比无关,在试验设计的试件截面高度下为一个常数。     

大型储煤筒仓进料过程煤尘浓度分布及煤尘爆炸数值模拟

采用Fluent模拟进料过程中仓内煤尘浓度场分布,在此基础上基于OpenFOAM平台开展煤尘爆炸过程数值模拟,以指导大型储煤筒仓安全设施的布置。结果表明：仓内竖向空间越小,煤尘竖向浓度梯度越明显,空间内平均浓度越高,空仓、半仓条件下筒仓竖向几何中心线上煤尘质量分数分别达到30%、40%以上 ; 仓内竖向空间越小,筒仓内最大爆炸温度越高, 但最大爆炸超压越小 , 空仓 、半仓条件下最大爆炸温度分别可达2 000、3 000 K,最大爆炸超压分别为1、0.82 MPa;建议在筒仓顶部及侧壁靠上部位设置煤尘浓度监测及预警装置,并在筒仓顶部设置有效的泄爆装置,以有效防范筒仓爆炸风险、降低筒仓爆炸损失。     

裂隙网络模型在地下水数值模拟中的应用研究进展

地下水在裂隙介质中的渗流和运移过程与在多孔介质中的过程存在机理上的差别,这与裂隙系统的尺度效应和非均质性有关,这也给数值模拟带来困难。采用裂隙网络模型可以对发生在不同尺度上的渗流和运移过程进行模拟,从而有效地解决以上存在的问题。构建裂隙网络模型的方法主要有体视学方法和随机模拟方法。按照假设条件和概念框架的不同,裂隙网络模型主要可分为连续体模型、离散裂隙模型和混合模型,在应用过程中可根据研究区的实际情况选择合适的模型。本文在对已有成果进行综合论述的基础上,指出其中存在的不足和需要改进之处,从而为以后的进一步研究指明方向。     

层状岩层裂纹饱和现象的数值模拟研究

层状岩层的裂纹饱和现象是地质界的一种普遍现象。基于有限元程序，分析了裂纹饱和现象的机理，从应力转化的角度解释了裂纹饱和现象；研究了单层材料厚度的变化对裂纹间距的影响；给出了层状材料达到饱和状态的全过程；并分析了裂纹的产生、发展规律。     

温缩等间距表面裂纹扩展的数值模拟及其机制研究

 低温表面裂缝广泛存在于各种脆性材料和各个领域中,成为工程隐患或直接影响到结构的使用性能,为更深入地理解这一现象的机制,考虑到材料细观层次上的非均质性,采用数值模拟对双层模型在上层整体均匀降温和上层表面低温随时间向下传递收缩2种条件下模型的温度应力分布、裂纹扩展过程及其机制进行研究。首先以预制裂纹且上层整体均匀降温为例,研究两相邻裂纹间的应力状态,发现两裂纹的中间位置应力最大,且随着裂纹间距的减小,水平应力 由拉应力不断减小并逐渐变为压应力,其裂纹饱和对应的裂纹间距(S)与层厚(h)比值的临界值 约为3.0。其次,利用未预制裂纹的双层模型,分别对上层整体均匀降温至－40 ℃和上层表面降温到－35 ℃并向下温度传导(温度冲击)2种降温条件进行研究。结果表明,2种条件下裂纹的形成模式存在相同之处：首条裂纹插入到模型上层中间,新生裂纹相继插入到两已有裂纹或者已有裂纹与端部中间附近,直至裂纹饱和;而不同之处在于,整体降温形成的裂纹不但会由表及里扩展,也会在上层中间萌生;而温度冲击形成的裂纹只会由表及里扩展,并且裂纹总数更多。研究结果再现了降温收缩条件下微裂纹萌生、扩展和饱和3个阶段以及温度冲击条件下模型中热传导的过程,通过2种温度加载条件的对比,提出采用温度传导效果更好的材料加快温度传递,有助于减少路面结构产生的表面裂纹。     

土钉支护的数值分析与应用技术研究

由于土钉支护的复杂性,其作用机理和设计理论仍处于研究阶段.根据土钉作用机理,研究了钉土的本构关系,建立了土钉的破坏准则、开挖荷载与位移计算有限元模型及模拟过程,并通过算例、试验,验证了数值计算在土钉设计中的可靠性,为土钉支护设计提供了依据.     

冲击地压、岩爆、矿震的关系及其数值模拟研究

全面论述了冲击地压、岩爆与矿震现象，对其进行了具体定义，指出三者之间的关系。采用数值计算手段对冲击地压与岩爆现象进行对比分析，指出它们的异同。在此基础上，建议对“冲击地压一、“岩爆”和“矿震”这3个术语区别使用。     

口泉断裂带中段断裂组合特征及活动性研究

为查明口泉断裂在圣水沟一鹅毛口段断裂特征和断裂活动性,野外采用了地质调查、人工地震勘探、电阻率CT法、钻孔控制等综合手段对该段内的断裂具体位置、断裂活动性进行了详细研究,从而避免断裂活动对建筑物产生破坏.