Strain-stress relation in macromolecular microsphere composite hydrogel

This paper investigates the strain-stress relation for the macromolecular microsphere composite （MMC） hydrogel. The novel point is to present the strain-stress model, which is based on the microscopic mixed entropy set up in the previous work and the Flory-Rehner elastic energy. Then, the numerical result of the strain-stress model is shown, which is completely consistent with the chemical experiment. Moreover, the theoretical relation of the strain-stress depends on the microscopic parameters of the MMC hydrogel. Therefore, it is a way to investigate the relation of macroscopic properties and microscopic structures of soft matters. This approach can be extended to other soft matters,

土工格栅加筋粉煤灰改良黄土力学特性研究

随着西部黄土地区城镇化进程的加快,填挖结合的新增用地方式要求地基处理技术需要重点解决填方区的强度与变形问题。论文将粉煤灰作为改性填料对黄土进行改良,通过直剪试验、三轴试验、湿陷试验与扫描电镜试验,分析不同粉煤灰掺入比条件下加筋与未加筋黄土试样的强度变化规律、宏观破坏特征和微结构特征。结果表明:采用粉煤灰改良和土工格栅加筋后,黄土的最优含水率增大,最大干密度降低。当粉煤灰掺入比λ=20%时,加筋改良效果最好,黄土的峰值强度、残余强度和等效内摩擦角均有大幅提高,侧向变形显著减小,且能有效降低其湿陷性。微结构分析表明:粉煤灰对黄土的改良主要体现在颗粒直接填充和化学结晶体交织成的网状填充两种类型的强化作用,改良后黄土的孔隙率与孔隙尺寸均有所下降。研究结果可为黄土地区填方边坡与填方路基的改良加固提供参考。

再生粗骨料混凝土应力-应变关系

再生粗骨料混凝土应力-应变关系是实现其材料到结构力学分析的桥梁纽带,成为再生粗骨料混凝土结构基础理论的基石。介绍了作者团队多年来在再生粗骨料混凝土应力-应变关系方面取得的研究进展:采用模型化再生粗骨料方法,研究了复杂界面过渡区对再生粗骨料混凝土破坏行为的影响,揭示了再生粗骨料混凝土细观损伤本质与演化机理;从静力作用到动力作用,系统地开展了不同工况下再生粗骨料混凝土应力-应变行为试验研究,探明了载荷条件对再生粗骨料混凝土应力与变形的影响规律并建立了相适应的力学与数学模型;进一步考虑再生粗骨料性能时空变异性,发现了再生粗骨料混凝土力学响应的概率分布特征,提出了再生粗骨料混凝土随机损伤本构关系;基于获得的本构模型,完成了再生粗骨料混凝土构件时变可靠度分析和结构动力非线性分析,为再生粗骨料混凝土在实际工程中的安全应用提供了理论支撑;提炼了相关研究结论并对未来研究工作进行了展望。

RPC应力-应变曲线系数与塑性损伤因子无量纲化计算模型研究

为了方便活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)等效矩形应力图系数与塑性损伤因子的计算与取值,对RPC应力-应变曲线系数与塑性损伤因子的计算模型进行了理论研究。通过对现有的计算方法进行无量纲化转化,推导了决定计算模型的四个原函数条件;对一个实际的应力-应变关系进行了计算,将得到的结果进行了分析;并对受弯矩形梁非极限状态下截面内力和力矩的推定计算进行了演示。针对应力-应变关系式含有非整次有理分式的情况提出了曲线拟合方法;研究了拟合次数、拟合区间和拟合函数类型对拟合精度与稳定性的影响。比较了4种典型的RPC本构模型在同种材料下的应力-应变曲线系数与损伤因子取值模型曲线,结果显示:拟合曲线得到的取值模型与其他原始曲线得到的取值模型在曲线上具有较高的相似度,证明了曲线拟合方法的准确可靠性;最后给出了一种RPC受压应力-应变曲线系数与塑性损伤因子无量纲化取值模型。

巷道围岩应力应变仿真系统设计与教学探索

为了获得采动条件下巷道围岩应力应变演化特征,通过复变函数换算结合工程实践经验,运用科学计算软件编程对巷道围岩受力模型进行求解,获得巷道围岩主应力和主应力集中系数分布规律。采用MATLAB对巷道受力模型进行模拟演算,获得工程开采参数与巷道围岩应力应变的关系规律,由此设计了一种采动影响下巷道围岩应力应变模拟仿真系统。该系统可对多种巷道断面进行计算和模拟,进而呈现出多种信息仿真演示,解决了以往软件适用巷道类型单一、应力求解不具体且结果呈现单一化缺点,可为回采巷道支护设计提供相应的理论依据,有利于矿山工程技术人员及实验室技术人员开展模拟仿真教学。

冻融对水泥改良路基土力学特性影响研究

以季冻区路基粉砂土为研究对象进行室内三轴压缩试验,分析水泥改良粉砂土与素土的应力-应变关系,探究冻融循环、水泥掺量和围压对土体抗剪强度的影响。试验结果表明:改良土的破坏以脆性破坏为主;围压增长不改变试样的破坏形式,土抗剪峰值随围压的增加而增大;冻融循环作用会削弱土体的黏聚力,内摩擦角的变化规律表现为在一定范围内波动;在水泥掺量相同的条件下,随冻融次数的增多,土的抗剪强度因水泥持续水化反应故呈先减小后增大再减小;当水泥掺量为2%时,土体已获得较大抗剪强度。

钢纤维对细再生混凝土力学性能的影响研究

为研究细再生集料(FRAP)替代天然细集料(NFA)的可能性。配置1%钢纤维掺量下不同FRAP含量(0%、25%、50%、75%、100%)的水泥混凝土,并测定成型后试件的抗压强度、拉伸特性、应力-应变特性和耐久性能。研究结果表明:以FRAP替代NFA会导致细再生集料水泥混凝的土力学强度降低;加入1%钢纤维,可以显著提高细再生集料水泥混凝土劈裂抗拉强度和抗弯强度,峰值应力增加约15%,峰值应变增加50%,韧性及延展性提高约5倍;以FRAP替代NFA的最佳含量为50%左右。

不同成形方式对WE43镁合金组织和力学性能的影响

采用激光选区熔化成形(SLM)、铸造及挤压方式制备了WE43镁合金试样,通过维氏硬度计、密度测试计、光学显微镜、扫描电镜以及拉伸试验机等设备分析了不同制备方式下WE43镁合金的宏微观组织和力学性能变化规律;设计了基于指数函数的模型对不同成形方式的WE43应力–应变曲线进行统一拟合,为WE43材料未来增材、减材以及等材工艺复合制造复杂零件打下基础。结果表明,SLM成形WE43有明显的各向异性,铸态和挤压态不明显。SLM成形WE43镁合金的强度最高,抗拉强度达到313 MPa,是铸态的183%;挤压态WE43镁合金塑性最好,伸长率达到10.2%,是铸态的232%;此外,SLM态镁合金密度只有1.731 g/cm^(3),仅为挤压态的85.7%和铸态的95.2%。在断裂特性上,SLM态和挤压态为韧性断裂,而铸造态为脆性断裂。在内部存在20μm左右孔洞形缺陷的情况下,SLM成形镁合金依然具有最高的强度,主要原因是SLM成形WE43镁合金平均晶粒尺寸仅为2.6μm,基体内存在大量的稀土相沉淀以及纳米级亚稳相。由此可知,通过进一步的后处理方法焊合SLM态镁合金内部孔洞形缺陷后,材料力学性能可以大幅提高。

川滇主要断裂带应力应变积累速率的三维有限元模拟:初步结果

川滇地区构造活动强烈,活动断裂众多,强震活动频繁.了解主要活动断裂的应力应变积累速率对于评估该区的长期地震危险性具有重要参考作用.本文新建立川滇地区及其主要活动断裂的三维黏弹性有限元模型,其中考虑了该区的岩石圈结构分层以及介质在水平和深度方向的不均匀性;采用1996—2018年的平均GPS水平速度场约束模型的侧边界,同时考虑川滇地块深部介质的拖曳力过程,模拟计算了构造加载作用下模型的动力学响应——区域变形特征和断裂的应力积累速率.模拟的位移场能很好拟合GPS观测的速度场,模拟的水平主应力方向在川滇块体和华南块体西缘与地震震源主应力方向相符,反映所建模型与模拟结果有较好的可信度.尝试将模拟的应力积累速率与基于GPS/GNSS观测的应变速率相结合,计算能反映区域地壳应变积累程度的弹性应变能密度分布;讨论了主要断裂带的背景应力、弹性应变能密度和库仑应力积累速率与M≥6.0地震发生的关系.结果显示除了模型边界附近的应力奇异地带外,川滇其余地区1996年以来M≥6.0地震大多数发生在模拟应力积累速率高或次高的断裂带(段),以及弹性应变能密度积累速率中偏高的断裂带(段).在模拟的背景应力速率高而且库仑应力增长快的龙门山断裂带南段和鲜水河断裂带最南段,分别在本文写作和定稿阶段发生2022年6月1日四川芦山M6.1地震和2022年9月5日四川泸定M6.8地震.认为研究区具有类似高或者次高的模拟应力和弹性应变能密度积累速率、但至今无强震发生和记录的断裂带(段),潜在的地震危险性需要关注.

苏北盆地古近系阜宁组二段页岩油储层岩石力学特征及其控制因素

为查明苏北盆地页岩油储层可压性特征及压后孔、缝变化规律,以古近系阜宁组二段(阜二段)为研究对象,对岩石力学特征、压裂效果及其影响因素进行研究。用计算机高分辨断层扫描成像技术(多尺度CT扫描)对岩样进行三维重构,获取孔、缝结构参数;开展地层围压下三轴力学实验,获取岩石力学参数;将压裂后的岩样按相同位置和方向再次进行多尺度CT扫描,获取压裂后三维孔、缝结构图像。根据应力-应变曲线特征,将本区页岩划分为3种类型。①1型页岩,为破裂曲线波浪下降,压后形成复杂网状缝页岩。②2型页岩,为破裂曲线类型多样,具波浪下降和垂直下降形状,压后缝网较发育的页岩。③3型页岩,为破裂曲线垂直下降,破裂后整体较完整,压后多形成纵向劈裂缝、缝网不发育的页岩。这3种类型页岩压后孔隙变化特征是:1型和2型页岩直径10~50μm孔隙占比减少,直径50~100μm孔隙增多,直径300μm以上孔隙孔容贡献增大;3型页岩压裂前、后孔径分布及孔容贡献变化不明显。研究表明,抗压强度与弹性模量、剪切模量具有正相关关系,与泊松比具有V型曲线关系;碳酸盐和黏土矿物含量是控制本区页岩力学性质的主要因素,石英和有机碳含量为次要因素。孔隙度及纹层发育特征是页岩储层可压性特征的重要影响因素。

装配式桥梁板玻璃纤维混凝土-U形钢筋湿接缝受力与变形分析

为解决装配式桥梁板体系湿接缝处力学性能不稳定、易变形的问题,提出采用玻璃纤维混凝土-U形钢筋加强方案优化湿接缝性能,以雄安新区荣乌高速荣乌主线桥为背景进行研究。选取主线桥2个试验段(试验段A湿接缝采用普通混凝土-U形钢筋方案,钢筋点焊;试验段B湿接缝采用玻璃纤维混凝土-U形钢筋加强方案,钢筋满焊)进行梁板体系湿接缝性能试验,监测湿接缝处搭接钢筋力学响应及混凝土接触面变形特征,同时对长期运载及强降雨影响下的钢筋受力与混凝土变形进行监测。结果表明:长期运载下,试验段B横筋受力约为试验段A的一半,其中部纵筋承受外力远大于试验段A,边缘纵筋承受外力较少,试验段B稳定性更优;试验段B较试验段A在湿接缝部位变形量小,其稳定性及耐久性更优;强降雨阶段,试验段B较试验段A变形及力学响应波动程度更低,其抗渗能力、耐久性更优。由此可知基于玻璃纤维混凝土-U形钢筋加强方案的湿接缝构造在外力传导、抵抗变形方面具有较强稳定性,不易受恶劣环境影响。

准静态压缩下“EPE/瓦楞纸板”缓冲系统能量吸收的研究

本研究主要探讨了发泡类材料与瓦楞纸板的共同缓冲作用。本研究将“EPE/瓦楞纸板”看作缓冲包装系统,并对其进行准静态压缩试验,得到材料的应力-应变曲线和能量吸收图,探究环境温度、EPE密度、EPE厚度对缓冲包装系统力学性能、能量吸收性能的影响。在应变为0.6时,组合缓冲系统(EPE_3、EPE_5)标准化能量(W/Es)吸收分别为0.2266、0.2024,较对照组EPE(W/Es=0.1835)增加了23.5%、10.3%;应变为0.6时,随着温度由-20℃增加至23℃、40℃,EPE_3吸收的标准化能量明显减小,EPE_3吸收的能量分别减少17.7%、20.9%,而EPE_5吸收的能量分别减少11.8%、19.9%;在上述应变状态下,EPE密度为24g/cm3的试样组合缓冲系统(EPE_3、EPE_5)具有最高的标准化能量吸收,分别为0.1916、0.1745;EPE厚度为30mm、40mm、50mm的组合材料(EPE_3、EPE_5)能量吸收曲线(W/Es-ε)重合度较高。瓦楞纸板在组合缓冲系统(EPE_3、EPE_5)中的缓冲作用不可被忽略;温度升高,组合缓冲系统的能量吸收会减少;EPE密度对组合缓冲系统力学性能有影响且存在“阈值效应”。EPE厚度对组合缓冲系统的力学性能影响不显著,增加EPE厚度会导致能量吸收曲线(W/Es-σ/Es)趋于平滑,使得最佳吸能点难以辨识。

再生微粉活性粉末混凝土单轴受压应力-应变曲线研究

为了进一步了解再生微粉活性粉末混凝土(RPC)的受压性能,通过试验分析并结合有限元模拟,研究了不同配比再生微粉RPC的单轴受压应力-应变曲线。利用有限元软件Ansys在细观层次上建立了随机分布钢纤维模型,建立的随机钢纤维模型能较好地反映实际情况。进而采用数值模拟的方法分析了钢纤维体积掺量对RPC受压应力-应变曲线的影响。研究结果表明,随着再生微粉对水泥替代率的增加,峰值应力减小,峰值应变和弹性模量略有降低但变化不显著。钢纤维的加入提高了再生微粉RPC的峰值应力、峰值应变和弹性模量,且随着钢纤维掺量增加,峰值应力增长,弹性模量有一定增长,峰值应变变化不明显。

水力耦合下煤样声发射分形−渗透率模型及试验研究

煤样轴向应力加载-水压渗流作用下裂隙(孔隙)发展直接影响煤样试件的力学指标与渗流特性,文中通过理论解析与力学试验方法,分析了煤样试件裂隙(孔隙)主导下渗透率与声发射分形维数、振铃计数响应关系,建立了水力耦合作用下煤样声发射分形-渗透率模型,开展了不同围压(2~5 MPa,Δpw(渗透压)/p'c(围压)=0.75)下水力耦合煤样渗流试验,分析了不同围压(水压)下煤样试件的力学行为、声发射规律与渗流特征,探讨了不同围压下煤样试件的强度提升特点与破坏形态-声发射定位关系,验证了水力耦合下煤样试件的声发射分形-渗透率模型合理性。结果表明:煤样试件渗流试验中裂隙(孔隙)变化与声发射振铃具有一致性,裂隙(孔隙)扩展与声发射分形维数、渗透率密切相关,声发射分形、渗透率可用体积应变表征,基于声发射分形的水力耦合下煤样试件的声发射分形-渗透率模型可采用2段式数学模型解析;煤样渗流全应力-应变过程中渗透率表现为短时减少—长时缓慢增加—急速增加—小幅回落过程,振铃计数呈快速增加—减少—增加—减少波浪型发展,渗透率最小值滞后体积应变压缩与膨胀临界点,最小渗透率变化在0.124×10^(-17)~1.250×10^(-17)m^(2);随着围压(2~5 MPa)增加,煤样峰值偏应力、峰值轴向应变与峰值体积应变均呈增大趋势,线性特征显著,煤样峰值渗透率滞后峰值强度呈减小趋势,减幅达到93.34%,最大声发射振铃计数(对应峰值强度位置)表现为增加趋势;水力耦合下煤样试件有效黏聚力和有效内摩擦角分别提高到6.5116 MPa与36.56º,随着围压(2~5 MPa)增加,煤样试件的声发射信息由单斜面向不规整斜面过渡,主控破裂面角度由小角度向高角度转变,失稳由单块体剪切变为多块体压缩形态,试件破裂可采用声发射定位振铃计数表达;煤样试件声发射分形-体积应变、渗透率与体积应变、分形与渗透率3个试验曲线与理论曲线较为吻合,围压2~5 MPa试件压缩阶段相关性分别在0.882~0.999、0.950~0.998与0.849~0.997,围压2~5 MPa试件膨胀阶段相关性0.937~0.996、0.891~0.998与0.873~0.966。

基于声发射的高强混凝土轴拉与劈拉损伤演化特征

本研究对抗压强度约100 MPa的高强混凝土开展了轴拉和劈拉应力-应变全曲线试验,比较分析了两种试验全过程声发射特征,揭示了高强混凝土轴拉和劈拉破坏机制及损伤模式演化规律。研究表明:轴拉试样在峰值应力后受宏观裂缝不稳定扩展影响易发生偏心受拉,劈拉试样在峰值应力后应变分布较均匀,裂缝扩展较稳定;轴拉试样累计声发射撞击曲线在峰值应力处呈下凸型,而劈拉试样受局部集中应力影响累计声发射撞击曲线呈上凸型;轴拉试样受拉伸应力主导发生破坏,劈拉试样的破坏经历了拉剪混合破坏到拉伸破坏的转变。

平面拉伸下聚氨酯裂纹板的裂纹扩展研究

聚氨酯(PU)因具有优异的物理化学性能,常用于一般工业与民用建筑中的屋面、地下室、浴室、卫生间地面等防水工程,但在长期服役过程中,难免会产生裂纹或微孔等缺陷,裂纹地萌生与扩展将劣化材料的使用性能,降低材料构件的承载力,甚至导致结构失效或安全事故。本文通过平面拉伸试验,探究了不同拉伸速率下聚氨酯裂纹板的力学性能及其裂纹扩展规律,研究结果表明,拉伸速率对裂纹板的应力应变关系、断裂失效时间以及裂纹扩展规律均有一定影响。

模拟软岩蠕变特性相似材料的研制及试验分析

为快速、有效地反映软岩介质的蠕变特性,根据模型试验的相似原理,通过配比和力学试验,研制出一种具有快速蠕变特性的软岩相似材料,它由沥青、河砂、铁粉和橡胶粉按一定配比搅拌压实而成。瞬时抗压强度测定、弹性模量测定,以及分级加载下的单轴蠕变试验表明:相似材料的物理参数变化范围大,具有瞬时弹性特征;轴向蠕变过程具有衰减、等速和加速蠕变三个阶段特性;相似材料能在短时间内模拟软岩蠕变特性。有望为软岩工程提供一种短期、高效、准确的软岩蠕变新模型。

开挖前抽水条件下基坑围挡两侧非极限土压力计算模型

基坑开挖前的坑内抽水可引起围挡发生厘米级的侧移,但现行基坑设计理论仅提出了基于弹性支点法的土方开挖诱发围挡受力变形的计算方法,却并未提出如何计算基坑开挖前抽水引起的围挡侧移。若要沿用弹性支点法进行抽水侧移的计算,则如何确定抽水过程中围挡两侧土压力分布成为关键。为了提出基坑开挖前抽水条件下围挡两侧土压力的计算模型,首先提出了基坑开挖前抽水过程中围挡两侧土体受扰动区形态与范围;然后探明了扰动区内土体应变分布规律并提出土体应变分布模式;进一步地,建立了土体应变与围挡侧移的数学方程,并结合土体应力−应变方程最终构建了开挖前抽水条件下考虑基坑围挡侧移影响的土压力计算模型。所提出的土压力模型能够反映基坑开挖前抽水过程中围挡侧移对土压力的非线性影响,公式形式简单,参数取值方便,可为后续预测抽水引起的基坑围挡侧移提供重要基础。

考虑小应变刚度特性的软土边界面模型与应用

基坑开挖导致周边土体经历复杂的加卸载应力路径,传统的本构模型难以同时反映此过程中土体的超固结和小应变刚度特性。在现有的边界面模型中,引入土体小应变刚度特性,提出软土边界面模型小应变刚度修正方法。基于一种高效的半隐式应力更新算法,将改进后的边界面模型采用UMAT子程序二次开发嵌入有限元软件ABAQUS中,并应用于某地铁车站深基坑开挖工程的数值模拟。分析结果表明,采用改进模型准确地反映了上海地区典型土层的小应变状态本构关系和土体的应变刚度相关性;由于改进的边界面模型能够同时反映土体超固结和小应变刚度特性,计算的围护结构变形与现场监测数据吻合较好。

带后掠桨尖旋翼/螺旋桨的悬停气弹特性分析

针对旋翼/螺旋桨的大负扭和后掠桨尖设计在桨叶内部所带来的严重应力应变集中问题,结合三维结构动力学模型、旋翼气动模型和旋翼配平方法,对复合材料旋翼/螺旋桨进行了综合建模与气弹载荷分析,并通过悬停实验验证了综合模型的准确性。对比分析了无负扭、大负扭和大负扭带后掠桨尖的桨叶气弹特性,发现大负扭导致桨叶应力集中区域扩大,后掠桨尖使桨尖过渡区域的应力集中区域扩大,集中程度加剧。