动载荷作用下岩石破坏过程的数值试验研究

采用基于细观损伤力学基础上开发的动态版RFPA2D数值模拟软件,对动载荷作用下应力波延续时间、应力波峰值和围压对岩石试样破坏的影响进行了数值研究,结果表明,应力波延续时间较短,则尾随应力波波前的高应力区范围较窄,应力波衰减较快;相反,应力波延续时间较长,则紧跟应力波波前的高应力区范围较大,岩石处于破坏状态的时间延长,岩石的破碎程度加大。此外,存在一个合适的应力波延续时间,过分地加大应力波延续时间,反而不利于岩石裂隙的发育。动载荷的峰值越大,试样的破坏程度越大,当峰值达到一定值时,试样顶部呈现粉碎状,试样从上到下破坏程度逐渐减弱。在冲击载荷作用下的岩石随着围压的增加更难破碎,但当围压增大到一定程度时,岩石会突然失稳破坏。

FRP加固钢筋混凝土梁破坏机理的数值试验研究

运用三维真实破裂过程分析RFPA(Realistic Failure Process Analysis)方法,对FRP加固钢筋混凝土梁的破裂过程进行了数值分析。对比分析了钢筋混凝土受弯构件和FRP加固钢筋混凝土受弯构件的裂缝形成过程和破坏模式,从裂缝间距的变化及梁的承载力方面入手探讨FRP对钢筋混凝土梁的加固机理。研究结果表明RFPA数值试验方法为混凝土构件力学性能和破坏机理的研究提供了一种新的分析手段。

动力扰动下深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制模型试验研究

为研究动、静组合加载下深部巷道围岩分区破裂化的机制,在Instron电液伺服材料试验机上对用石膏制作的深部洞室模型进行了动、静组合加载试验。为进一步分析动、静组合加载下深部巷道围岩分层断裂化的力学本质,将动、静组合加载下深部巷道围岩近似视为若干个二维动、静组合加载试样的组合体,并用红砂岩试样进行了二维动、静组合加载试验。试验结果表明,巷道轴向应力为最大主应力且大于一定值时,围岩会发生分层断裂现象;巷道轴向应力为最大主应力且与外部扰动应力叠加达到一定值时,围岩也会发生分层断裂现象;巷道直径越大,在相同的动、静组合加载条件下,更易发生分层断裂现象;相同直径的巷道,在不同的动、静组合加载作用下,巷道围岩分层断裂化程度不同,动、静组合应力叠加值越大,分层断裂化程度越严重;应力状态对试样裂纹扩展及分布方向起着主导作用,试样破裂面一般垂直于最小主应力方向(在最小主应力面内),与最大主应力方向一致;深部巷道围岩存在形成破裂圈的应力状态,这样的应力状态可诱发巷道围岩分区破裂现象的发生。

岩石多裂纹剪切断裂数值试验研究

节理岩体在剪切力作用下的破坏方式常表现为相邻节理的扩展与贯通，因此，研究含预制多裂纹岩打的抗剪强度和破坏模式对工程设计具有重要意义。应用RFPA系统对含断续裂纹剪切试样的断裂过程进行了数值模拟研究，讨论了不同裂纹几何分布对破坏模式和峰值强度的影响。研究结果表明。在相同围压条件下，裂纹贯通模式丰要受裂纹的几何方位控制：由于试样细观缺陷非均匀性的存在，导致岩行断裂主要由拉伸破坏引起，但拉剪混合破坏仍然存在，并对抗剪强度有较大的影响。

深部岩体圆形巷道围岩松动圈形成机理数值试验研究

采用损伤力学和统计理论的单元本构模型,探讨深部岩体巷道围岩破坏规律,利用岩石破裂过程分析软件RFPA^(2D),对深部岩体中的圆形巷道的变形及非线性渐进破坏特征、巷道周边关键部位的位移和应力变化进行了分析,研究了圆形巷道围岩松动圈的形成机理.研究表明:巷道开挖后,其周边形成应力集中带,随着围岩压力的持续作用,巷道周边产生塑性变形区,并沿径向形成裂纹;随着裂纹的不断扩展,巷道周边出现松动破裂区,即松动圈.产生破裂区后,应力集中程度减弱,应力高峰点向远处转移.

跨地裂缝墙体开裂过程的RFPA数值试验研究

应用材料真实破裂过程分析RFPA系统,对横跨地表裂缝的墙体开裂过程进行了数值试验研究.对于地裂具有垂直活动性的情况,数值试验再现了墙体出现裂缝的位置、倾向、倾角和裂缝发展的过程.数值试验结果表明RFPA方法是地裂诱发墙体开裂机理和规律研究的有效工具.

静态破碎的物理与数值试验

本文对静态破碎剂作用下混凝土模型的破坏过程进行了物理和数值模拟试验,试验研究结果表明,单孔方形混凝土模型裂纹的扩展和破坏不是通常认为的像开采中的大理石破坏那样:第一条裂纹产生以后,在其对称连线上产生第二条裂纹,而是以三条主裂纹的形式破坏。并用数值模拟的方法再现了在静态破碎剂作用下,这三条主裂纹的萌生、扩展到最后的失稳扩展过程。

单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟

在岩石破裂过程分析(RFPA2D)系统的基础上,考虑岩石损伤过程的时间因素影响,引入岩石细观单元蠕变本构方程,建立了考虑流变效应的岩石破裂过程RFPA2D数值模型。应用该模型模拟了恒定荷载作用下岩石的蠕变破坏过程,得到了岩石蠕变破裂的3个典型阶段:初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段,模拟结果同实验室试验所观察到的现象十分吻合。这表明考虑流变效应的RFPA2D数值模型适用于模拟岩石的蠕变破坏这一复杂的、非线性演化问题。此外,数值模拟还揭示了岩石的宏观蠕变破坏实质上是细观层次上单元损伤累计的结果,这些结论对岩石工程的长期稳定性研究具有重要的理论指导和实践意义。

岩石破裂过程围压效应的数值试验

运用岩石破裂过程分析系统RFPA2D模拟了岩石在变形破裂过程中围压对岩石变形、强度及声发射特性的影响。研究结果表明:数值试验结果与实验室观察得到的岩石变形、强度(弹性模量、抗压强度等)以及岩石破裂过程声发射的围压效应相吻合;同时,数值试验对在实验室中难以准确监测的声发射现象也进行了准确的模拟,所得结果对于地震预报、岩爆等冲击地压的预测具有一定的指导意义。

煤岩体的弹塑脆性本构模型及其数值试验

为了准确预测岩石破损区的发生时间和扩展情况,在岩石材料的非均匀特性基础上,建立了一个具有应变硬化的弹塑脆性本构模型,同时编写了相应的有限元计算程序并对其模块化,并通过预置裂纹板的拉伸试验和岩样单轴受压试验来验证该模型。结果表明:所建立的数值模型是可靠的,可以较精确模拟裂纹扩展情况与局部化剪切带的发展模式。新本构中的应变硬化阶段,可以在破坏之前看出应力集中和单元屈服情况,尤其可以区分拉破坏和屈服后的剪破坏。

基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤研究

将混凝土假定为一种由硬化水泥砂浆、粗骨料、界面粘结带所组成的三相复合材料,在满足骨料级配曲线算法的基础上,采用细观单元的弹塑脆性损伤本构关系,考虑材料的非均质特性,建立了基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤数值模型;分别研究了单轴受拉预置裂纹试样和单轴受压混凝土试样的细观弹塑脆性损伤破坏行为,并揭示了混凝土的宏观表征强度存在明显的尺寸效应,通过将计算结果与Bazant尺寸效应公式、单轴受压物理实验曲线进行对比,验证了模型的正确性。数值试验表明:该模型可以清晰地模拟混凝土细观塑性屈服和失效裂纹的萌生和扩展。骨料与水泥砂浆间的界面粘结带相对薄弱,在混凝土试件形成宏观损伤局部化带前,试件的屈服和破坏首先发生在骨料边缘处的界面位置,并沿着界面粘结带扩展、贯通;同时,导致宏观裂纹形成和发展的因素仍以细观单元的拉伸破坏为主。

岩石弹塑性破裂过程的数值模拟研究

分析了对于非均质、非连续且材料参数分布具有分散性和随机性的岩体介质,采用传统有限元法解决其工程问题的局限性.阐述了用岩石力学性质的分布特性来描述岩石材料不均匀性,并用蒙特卡洛模拟方法,将符合Weibull分布规律的材料参数赋予岩体结构中的各个单元体,进而用计算机进行数值模拟的研究方法.应用了在Windows95环境下利用FORTRANPowerStation4.0平台开发的具有可视性的“岩石弹塑性破裂过程分析”软件——REPFPA软件,对典型的岩石试样和巷道模型的弹塑性破裂过程进行数值模拟研究,得到了有价值的实验结果.证明把材料参数随机赋值方法引入到岩土类材料的弹塑性破裂过程分析中去,并用计算机进行数值模拟是研究岩石弹塑性破裂过程的一种有效方法.

巷道围岩破坏与支护方案选取可视化研究

确保巷道围岩稳定是矿井安全生产的关键 ,如何事先预测巷道围岩的破坏形式是矿山建设工程亟需解决的问题。运用岩石破裂渐进过程分析 (RFPA2D)系统对水平侧压系数为 0 .15的水平圆形巷道围岩破坏形式作了数值模拟 ,直观再现了巷道周边围岩的应力场分布及裂纹演化进程 ,为合理进行支护方案设计。

自锚式斜拉-悬索协作体系桥模型试验研究

鉴于自锚式斜拉-悬索协作体系桥结构新颖,目前世界上尚无先例,为了检验其设计及计算理论的正确性,探索自锚式斜拉-悬索协作体系桥的整体结构特性,以大连湾跨海大桥推荐方案为原型,制作1/100的试验模型,进行全桥静力和动力模型试验分析,试验结果与理论结果基本吻合.试验验证了理论计算的正确性,表明用现有的有限位移理论分析是安全可靠的.为实际工程的设计与力学性能研究提供依据.

煤与瓦斯突出的物理模拟和数值模拟研究

利用自行设计的实验装置,通过现场采集具有突出倾向的煤样,分别向实验装置煤样中充入吸附能力较大的CO2和吸附能力较小的N2来模拟不同级别的煤与瓦斯突出现象,物理试验结果表明:瓦斯压力越大,突出强度越大;当瓦斯压力相近时,吸附和解吸能力大的瓦斯突出强度大。通过数值模拟对煤与瓦斯突出进行研究,数值模拟再现了煤矿开采过程中诱发的煤与瓦斯突出全过程,同时验证了煤与瓦斯突出是瓦斯压力、地应力及煤岩体的力学性质综合作用的结果,该验证对进一步深入理解认识煤与瓦斯突出的机理具有重要的理论和实践意义。

深部岩体中断续节理对巷道稳定性影响的数值试验

应用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,通过对具有断续软弱结构面深部岩体中隧道的变形破坏特征、隧道周边关键部位的位移和应力变化进行了分析,对巷道在载荷作用下的声发射和位移特性进进行了探讨,着重研究了深部岩体中节理对巷道稳定性的影响。这对于进一步理解深部岩体中节理对巷道影响进而采取有效的加固措施等具有重要的理论和实践意义。

钢筋混凝土构件拉伸破坏过程的三维模拟研究

采用三维的材料破坏过程分析系统RFPA3D(3D-Realistic Failure Process Analysis)对钢筋混凝土轴心受拉构件的受力、变形与内部裂纹萌生、扩展及最终破坏的断裂全过程进行了数值模拟。充分考虑了混凝土的非均匀性,通过简单直观的本构模型并采用单元材料性质弱化的办法,利用位移加载来实现钢筋混凝土构件的拉伸破坏过程,再现了钢筋混凝土结构中等间距裂缝形成过程,从细观角度模拟分析了混凝土及钢筋的破坏过程及破坏机理。数值试验结果对于深入了解钢筋和混凝土的联合受力规律有参考价值。

冲击载荷作用下准脆性材料Ⅱ型裂纹扩展研究

冲击载荷作用下准脆性材料的动态断裂一直是关注的热点问题,Ⅱ型裂纹试样受冲击剪切时其裂纹扩展方向同材料力学性质和冲击速度等密切相关。应用岩石动态破裂过程动态分析系统软件,对单边平行双裂缝试样开展了冲击载荷作用下的裂纹动态扩展数值模拟,分别研究了不同材料力学性质、材料均质度、入射应力脉冲幅值和历时对II型裂纹动态扩展的影响。数值模拟结果表明,纯II型裂纹在动荷载作用下的扩展,不仅受到剪切损伤,而且还存在拉伸损伤;准脆性材料的非均匀性导致了主裂缝周围产生大量微裂纹的破坏,影响裂缝的分岔和内部的应力值;应力幅值和应力脉冲历时分别超过某一定值时,主裂缝将出现分叉现象,试样的破坏程度加剧,其研究结果对于深入揭示准脆性材料在动荷载作用下II型裂纹扩展的规律及准脆性材料的损伤断裂机制具有重要的参考价值。

含不连续面巷道的动力破坏过程数值分析

利用新近开发的动态版岩石破裂过程分析系统RFPA2D模拟了动力扰动下含不连续面巷道的破坏过程,从细观角度分析了不同宽度不连续面的岩石巷道在动力扰动下破坏的规律,并和未含不连续面巷道结构的相应情况进行比较,探讨了含不连续面巷道结构在动载荷作用下的力学特性,结果表明不连续面对应力波衰减作用明显,对巷道的稳定与破坏影响较大。

基于多尺度有限元的钢桁架整体节点疲劳性能分析和试验研究

为了简化结构疲劳分析,提高计算效率,以大连星海湾大桥(主跨460m的3跨双层地锚式悬索桥)为背景,采用多尺度有限元方法对该桥钢桁加劲梁进行疲劳性能分析,整体节点板部分采用三维实体单元,传力构件采用普通梁单元,用Arlequin方法模拟耦合区域。进行了1∶2缩尺模型整体节点疲劳试验,将测点应力值与多尺度有限元分析值进行对比。研究结果表明,多尺度有限元分析值与试验值吻合良好,应用多尺度有限元分析结构疲劳性能是可靠的。多尺度有限元方法对结构主要研究部位进行准确模拟,减少了模型中的节点数和单元数,提高了计算效率,可以作为疲劳分析的一种新方法。