基于梯度塑性理论的断层活化机理

基于梯度塑性理论,将断层视为内部连续、有厚度的地质体,分析断层带应变软化及其应变局部化问题。将梯度塑性理论引入断层带模型,得到了断层带沿倾向相对错动位移的理论表达式,定义了"断层带等效剪切刚度";通过对上盘岩体的下边缘界面处单元体应力分析,得到上盘岩体沿断层倾向的相对错动位移并定义了"两盘岩体等效剪切刚度"。根据"断层带等效剪切刚度"与"两盘岩体等效剪切刚度"的关系得到了断层活化的判据。结果表明:断层的活化不仅与断层内部地质体材料的性质(断层内部地质体材料的脆性、内部结构尺寸)有关,还与两盘岩石的特征参数(剪切弹性模量、泊松比)及包括断层倾向长度的最小岩层尺寸相关;断层内部地质体材料的内部参数越小、"两盘岩体等效剪切刚度"越小、断层内部地质体材料越脆及包括断层倾向长度的岩层最小尺寸越大,断层越易活化。

采场端部底板破坏深度解析分析

为了理顺采场端部底板岩体主应力场中3个主应力的力学逻辑关系,同时研究采场端部底板破坏深度,通过力学分析,确定了采场端部底板岩体主应力的具体形式,并以此为基础导出采场端部底板破坏深度的计算公式。研究结果表明,主应力场在极坐标下是关于极径r与极角θ的函数,且3个主应力与采场底板岩体的泊松比μ有关,当采场底板岩体的泊松比μ与采场端部底板岩体中的单元体在极坐标下的极角θ满足不同数值关系时,3个主应力是有所不同的,与之对应的采场端部底板破坏深度计算公式也必然不同。

偏心质量引起旋转系统振动的动力学研究

从单自由度系统受简谐激励振动发生的力学机理出发,对高速旋转的偏心质量机械系统进行振动分析。利用幅频特性曲线和相频特性曲线分析了系统稳态响应的动力学特征,进而探讨了系统各特性参数对高速旋转偏心质量机械系统振动的影响。

基本顶岩层的裂断分析

基于煤层的应力、应变状态及煤层与悬臂覆盖梁的顶板模型变形情况,分析了强脆性、脆性、半脆性基本顶岩层裂断可能发生的位置。

底板岩体破坏深度力学计算逻辑关系分析

关于底板岩体破坏规律的研究,常以平面理论为研究基础。笔者认为该研究方法尚有众多的理论和实际问题需作更全面、更深入的研究、总结和完善。本文在理顺主应力逻辑关系的同时,推导出了工作面底板岩体的破坏深度计算公式。

《材料力学》模块化教学的探索

《材料力学》模块化教学法提供了在教学课时削减的实际情况下,根据授课对象专业的差异设置教学内容模块选取上的差异,能在更短的时间内完成教学任务并达到理想的教学效果;该教学法的应用在很大程度上促进了教师教学水平的不断提高,使教师的素质得到进一步的完善,达到教学相长的目的。

非均应力场圆形巷道围岩塑性区解析分析

巷道围岩塑性区大小是评价围岩稳定性的重要依据及进行巷道支护设计的理论基础。一般圆形巷道所受原岩应力场为非均匀应力场。通过对圆形巷道围岩的力学分析,获得了围岩主应力场分布规律,结合极限平衡条件下的莫尔-库仑准则,得到了圆形巷道在不等压原岩应力作用下围岩的塑性边界方程。软岩巷道围岩控制的基本出发点是充分发挥围岩的自承能力,其基本原则之一便是圆形巷道形式。

无断层底板关键层破断后的稳定性和突水分析

本文以无断层的关键层为研究对象,根据承压水体上采动底板的关键层破断后呈"O—X"形式,将工作面中部底板简化为三铰拱形式。在力学分析基础上建立无断层的关键层发生回转失稳的条件,由此得到失稳判据。

无断层底板关键层破断后的稳定性分析

承压水体上采煤的关键问题在于底板突水机理的分析与预测.当底板关键层受采动影响而发生破断后其是否导致突水,基本的落脚点在于破断后的底板关键层是否将发生回转失稳.基于此,通过对采动底板关键层破断后呈现的形式分析,以无断层的底板关键层为研究对象,将工作面中部底板简化为三铰拱形式,在对三铰拱力学分析的基础上导出三铰拱的极限平衡关系;基于三铰拱极限平衡状态被破坏后工作面中部底板关键层发生回转失稳的力学机理,建立了无断层的底板关键层发生回转失稳的条件,并由此得到无断层底板关键层的失稳判据.

基于运动学视角的车轮悖论探秘

为了揭示车轮悖论产生的原因并对其作出合理的解释,以在水平面上滚动的圆轮为研究对象,构建同心圆下边缘在水平面上碾压的运动模型,应用点的运动学、点的合成运动和刚体平面运动的理论研究了车轮在水平面上滚动时其上任一点的运动规律,从运动学角度对亚里士多德车轮悖论进行探秘。研究发现,只有当圆轮滚过一圈时轮上各点才具有相同的位移,且此时圆轮上各点位移的大小仅与轮的运动形态有关;圆轮上各同心圆的下边缘在水平面上所碾过的长度仅与圆轮滚过的角度θ及圆轮的运动形态有关。当半径为R的圆轮在水平面上作纯滚动且转过角度θ时,圆轮上各同心圆在水平方向所碾过的长度均为Rθ;当圆轮边滚边滑时各同心圆在水平方向所碾过的长度也均相等但都大于Rθ;同心圆随着圆轮滚动的过程中,在任意时刻同心圆的下边缘点相对于地面有滑动,这是同心圆随圆轮滚过一圈时其在水平方向上碾过的长度不等于该同心圆周长的根本原因。

基于FDM-PFM耦合方法的刚性桩复合地基性能

为揭示褥垫层颗粒材料的力学本质,深入研究其对刚性桩复合地基性能的影响,开发了有限差分-颗粒流(FDM-PFM)耦合方法,建立了刚性桩复合地基静载试验耦合模型;将耦合模型计算结果与某高层建筑结构现场静载试验结果进行了对比,吻合良好,证明该耦合方法有效,材料宏观、细观参数取值正确.并进一步模拟分析了不同褥垫层材料对刚性桩复合地基性能的影响,结果表明:随褥垫层刚度增大,沉降减小,桩土应力比增大,桩顶对褥垫层刺入量减小;不同褥垫层材料桩顶负摩阻区范围为中粗砂0.30L、碎石0.25 L、级配砂石0.20 L(L为桩长);随褥垫层刚度增大,负摩阻力减小,桩身轴力则增大.

坐标正向的选择引起横截面转角连续条件的差异性

针对应用积分法求解静不定梁端部约束反力所出现的问题,通过出错原因分析并进行归纳和总结,提出了应用积分法求解梁的弯曲变形时须注意的事项。结果表明,当梁需要分段考虑且描述梁横截面位置的坐标参量正向选择不同时,分段点处的转角连续性条件会随着坐标正向选择的不同而有所不同。为了有效避免分段处转角连续性条件的描述错误,根据各段梁横截面位置的坐标参量正向选择的情况,对分段点处转角连续性条件的描述进行了归纳和总结,为正确应用积分法求弯曲变形提供参考和借鉴。

基于创新实验的材料力学教学方法探索

材料力学作为土木工程相关专业的基础课,其基本概念对土木工程专业学生具有重要作用。以材料力学中轴向拉伸与压缩章节为例,介绍了课程思政背景下基于创新实验的教学方法。从课程实验的设计、课程实验的导入、课程思政元素的融入以及考核方式的改变等方面,对传统材料力学教学方法进行革新。借助于有限元软件、数据处理软件和实验分析,培养学生的综合实践能力、观察能力和团队协作能力,实现了课程思政与课程改革的统一。通过实验班级学生反馈信息和实际教学效果来看,学生的学习兴趣浓厚,对材料力学基本概念掌握清晰,学生的综合素质提升明显。

采动影响下断层稳定性的力学机理及其控制研究

断层受采动影响易发生活化,常引发塌方、冒顶、突水、矿震、冲击地压等事故。为了探明断层发生活化的条件,将断层带、上盘和下盘视为一个系统,采用Anderson断层模型和Mohr-Coulomb强度准则,经数理分析,研究了采动影响下断层的稳定性问题及系统参量对断层稳定性的影响。结果表明:断层处于自锁还是活化状态,取决于断层视摩擦因数k1与断层摩擦因数k之间的量值关系;当k1<k时断层处于自锁状态,当k1≥k时断层处于活化状态;视摩擦因数k1反映了断层在采动影响下地应力(包括σ1和σ3)、断层面黏聚力c及断层裂隙流体压力pi等因素共同作用的应力积累水平,其值越大断层活化的倾向性越高;摩擦因数k是由断层内摩擦角φ确定的量,反映了断层带与断层上盘和下盘在结构面处的粗糙度,结构面越粗糙断层内摩擦角φ越大,使得摩擦因数k越大;摩擦因数k越大断层的稳定性越好;系统参量(包括α、φ、c、pi、σ1和σ3等)在采动作用下发生变化后将对断层的稳定性产生影响:断层倾角α越接近于断层特征角α1,断层发生活化的倾向性越大;断层内摩擦角φ越小断层越易活化;断层面黏聚力c越小断层越易活化;断层裂隙流体压力pi越大断层越易活化;垂直应力σ1越大断层越易活化;水平应力σ3越小断层越易活化。基于系统参量对断层稳定性的影响规律,提出了控制系统稳定性的方法。研究结果对发育有断层的地下资源开采及防震减灾、隧道、地下结构等工程具有参考价值。

砖夹-砖块系统的传力机制及夹砖数量研究

为了弄清砖夹-砖块夹持系统内部的传力机制及确定砖夹所能夹起的砖块数量,应用静力学平衡理论研究了受夹砖块在接触面上正压力和静滑动摩擦力的变化规律,获得了砖块在相互接触面上作用力的等效作用位置,并基于系统的极限平衡条件导出了砖夹所能夹起砖块的数量.结果表明,各砖块在接触面上的正压力相同但等效作用点不同,而静滑动摩擦力大小、方向和等效作用点都是变化的;受夹砖块系统的砖块在接触面上的静滑动摩擦力呈现两边高中间低的分布规律;正压力和静滑动摩擦力在各砖块接触面上的等效作用点则呈现出两边低中间高的分布规律;砖夹能夹起砖块的数量不仅与砖块的宽度、砖块与夹具间静滑动摩擦系数及砖块受夹的位置有关,还与工人手臂的提拉力和手掌的抓握力有关.

力系平衡问题的教学内容优化设计

在力系平衡的传统教法中,存在一些前后内容不合逻辑的问题,且没有利用各力系之间内在的联系来布局和安排教学内容,不符合一般到特殊的认知规律。将传统教法中平面汇交力系的平衡问题纳入平面力系平衡问题的框架下,并导出其独立的平衡方程,解决缺少理论基础的问题;据各种力系的内在联系,基于辩证统一的思想和一般到特殊的规律来安排教学内容,形成一个知识点高度集中、内容简洁、逻辑性和可操作性都很强的新教法。该教法注重理论的推导过程及应用的灵活性,着重培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,利于培养和提高学生的逻辑思维能力和科学素养。

面向新工科建设的材料力学课程内容优化设计

材料力学以"四大基本变形"和"组合变形"的强度计算、变形计算及压杆的稳定性为目标内容。对比发现,传统教法中复杂应力状态下"基本变形"的强度条件和"强度理论"的强度条件不一致。基于新工科建设对通识课程的要求和理顺材料力学各章节内容的关联性,将材料力学授课内容进行优化设计:根据各个知识点的关联性安排授课内容及顺序,使章节和节次间的内容环环相扣、层层推进,符合一般到特殊的认知规律,形成一个具有严密逻辑的完整教学系统;将实验环节和理论教学合二为一,提高课时的利用率,为课程学时的精简提供了可能。由现象到本质、经逻辑演绎上升到理论高度而获得相关理论的教学模式,有助于培养和提高学生的科研素养,符合新经济条件下"新工科"建设的要求。

断层自锁与活化的力学机理及稳定性控制

针对断层受采动影响是否发生活化的难题,以断层带、上盘和下盘为系统,通过解析分析研究系统的稳定性。结果表明:系统有2个应力比状态量,它们是断层面黏结力、内摩擦角、裂隙流体压力及垂直应力等系统参量的函数;系统的稳定性由应力比和应力比状态量的关系确定;断层倾角越接近剪切错动特征角、断层面黏结力和内摩擦角越小、裂隙流体压力越大,系统越不稳定;垂直应力对系统稳定性的影响因黏结力、裂隙流体压力和内摩擦角之间不同的量值关系而有所不同;系统的稳定性可通过超前预注浆、钻孔疏放裂隙流体和设计、选择合理的施工方案改变应力比等措施实现有效控制。研究结果对发育有断层的地下资源开采、地下结构及防震减灾等工程具有参考价值。

巷道薄分层软弱底板围岩变形控制机理与支护实践

针对薄分层软弱底板巷道围岩变形失稳难题,综合理论分析、力学计算、数值模拟、井下试验及现场实测方法,详细研究了薄分层软弱底板巷道压曲失稳机理及控制技术。研究表明:1)薄分层软弱底板巷道围岩在支护体作用下形成具有一定整体性和较大强度的"组合岩梁",破坏形式从单层压曲破坏转变为整体"组合岩梁"破坏,这种力学特性的改变是实现薄层状底板围岩稳定控制的本质;2)增大底板锚杆支护强度可大幅增强薄分层"组合岩梁"强度及抗弯刚度;3)底角斜拉锚杆在增大强度与抗弯刚度的同时还可以抵抗部分侧向压力,进一步减弱底鼓。介绍了一典型软弱薄分层底板巷道围岩稳定性控制成功案例,研究成果对类似条件的支护工程具有一定的理论意义和参考价值。

大空间孤岛采场覆岩结构演化与区段煤柱合理宽度研究

大空间孤岛采场覆岩结构演化与稳定对区段煤柱的稳定性至关重要,而区段煤柱的稳定性与煤柱宽度有直接关联。为了提高区段煤柱稳定性和煤炭回收率,应用数理推导的方式研究大空间孤岛采场覆岩结构演化与区段煤柱的变形和承载特性,基于区段煤柱的极限平衡导出煤柱的合理宽度,确定影响区段煤柱合理宽度的系统内部参量;采用单因素分析法和函数增减性判别准则研究系统内部参量对区段煤柱合理宽度的影响规律,并由此提出减小煤柱宽度以提高回采率的措施。结果表明:大空间孤岛采场区段煤柱的合理宽度由煤层埋深、煤柱高度、工作面长度、煤柱上方悬臂岩梁长度、煤层到关键层高度、应力集中程度、关键层悬顶距、煤柱内部弹塑性区交界面的侧压系数及煤岩体交界面的摩擦系数等9个系统内部参量共同确定;区段煤柱的合理宽度随着煤层埋深、煤柱高度、工作面长度、煤柱上方悬臂岩梁长度、煤层到关键层高度、应力集中程度和煤柱内部弹塑性区交界面处侧压系数的增大而增大,随着关键层悬顶距和煤岩体交界面上摩擦系数的增大而减小。基于系统内部参量对区段煤柱合理宽度的影响规律,提出控制大空间孤岛采场工作面长度、爆破或水力切顶以改变覆岩结构、煤柱高强注浆和锚喷支护及提高煤岩体摩擦系数等措施减小大空间孤岛采场区段煤柱宽度以达到提高回采率的目的。