基于耦合水化模型的超高掺粉煤灰混凝土性能研究

为通过数值手段模拟高粉煤灰掺量的水工混凝土的性能演化过程,探讨超高掺粉煤灰混凝土的应用价值,以相关试验成果为基准,采用热-化-力耦合方法模拟粉煤灰掺量为35%,80%的水工混凝土的水化放热过程,建立热力学参数与水化度的关系。在此基础上,引入流固共轭传热方程模拟大坝浇筑及通水冷却过程,并比较了两种混凝土在大岗山高拱坝施工中的温控特性。结果表明:耦合模型可准确模拟混凝土在不同外部环境下的性能演化过程;采用超高掺粉煤灰混凝土可有效降低温控费用和人力成本。

堆石料宏细观力学特性离散元分析

堆石料的力学特性直接影响堆石坝工程的设计、施工和运行,对坝体变形及安全有重要影响。基于大石峡混凝土面板堆石坝工程,采用离散单元法(DEM)建立了接近于3BA区堆石料真实颗粒形状的椭球颗粒试样,开展了一系列常规三轴数值试验,研究了3BA区堆石料的宏、细观力学特性。通过不同围压下的宏观应力应变演化曲线,获得堆石料的宏观应力、变形指标。采用平均接触力将接触网络划分为强、弱2个子网络,分析强、弱接触网络的配位数分布与拓扑演化规律。结果表明:割线模量、泊松比、峰值内摩擦角与围压呈线性变化,剪胀角与围压呈非线性变化;颗粒体系内接触的拓扑演化主要发生在弱接触网络,进而影响堆石料的宏观体积变化,强接触网络内的接触保持不变,为堆石料提供稳定的传力通道。研究结果可用于指导实际工程中不同围压下宏观力学指标的选取。

混凝土热-水-化-干湿应变多场耦合模型

为了准确研究水工混凝土在服役环境中因湿度变化引起的应变应力特性,从基本理论出发,建立修正的热-水-化-干湿应变(THCD)多场耦合模型.在已有模型的基础上,引入优化的化学亲和力函数和吸附等温线方程,实现对水化过程和湿度多阶段演变的准确模拟,进一步建立湿度和应变之间的关系,使模型可以对湿度变化引起的应变应力特性进行描述.基于模型对不同水灰质量比及养护条件下的自干燥、自收缩、单轴扩散干燥试验进行模拟验证,并进行干湿循环试验的数值模拟.结果表明,所提模型具有较好的适应性,可以准确模拟试验中湿度和应变的演变过程,在干湿循环试验中由湿度引起的应变应力特性符合一般规律.该模型可以为水工混凝土结构的安全评估和寿命预测提供支撑.

椭球颗粒体系宏、细观特性的3维离散元分析

颗粒材料由大量不同形状的离散颗粒组成,其力学特性与构成颗粒体系的颗粒形状密切相关。目前,关于颗粒形状对颗粒材料剪切强度的影响已有大量的物理试验或数值模拟试验研究,而非球形颗粒材料在复杂应力路径下的宏、细观力学特性认识还不够充分。本文采用离散单元法(DEM)对按一定级配生成的不同伸长率的椭球颗粒体系进行等σ_(3)(第3主应力)及等b(中主应力比)的真三轴加载数值模拟试验,研究椭球颗粒体系的3维宏、细观力学特性,并验证常用3维强度准则对椭球颗粒体系的适用性。结果表明:在3维加载路径下,不同于圆球颗粒体系宏、细观演化规律的一致性,椭球颗粒体系的宏观应力面与细观组构面演化规律不一致,宏观应力比与强接触网络组构偏值/均值比线性不为1,这是因为椭球颗粒体系弱接触网络对宏观应力的贡献;椭球颗粒体系宏观体应变、细观法向接触力分布、接触数目及配位数分布等宏、细观指标与加载路径无关;随着椭球伸长率LAR增大,Mohr–Coulomb准则、Lade–Duncan准则、Mastsuoka–Nakai准则及施维成3维强度准则对φ_(max)(峰值内摩擦角)–b关系预测准确度逐渐增大,其中,Lade–Duncan准则能更好地拟合不同加载路径下椭球颗粒体系的数据点。研究为真实应力状态下椭球颗粒材料的宏、细观特性的认识提供了一定的理论基础。

粒间摩擦对岩土颗粒材料三维力学行为的影响机制

颗粒间摩擦是影响岩土颗粒材料力学特性的重要因素之一,现有研究主要集中在粒间摩擦对颗粒集合体堆积、宏观剪切强度等的影响,而其在复杂应力路径下对岩土颗粒材料的影响机制尚不明确。采用离散单元法(DEM)进行了颗粒材料的真三轴加载路径数值试验,通过改变颗粒间摩擦系数μ来研究粒间摩擦对颗粒材料宏观力学特性的影响。对比了4种三维强度准则,发现当0.2<μ≤0.5时,Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai准则能较好地拟合不同加载路径下的数据点。采用平均接触力将颗粒体系的接触网络划分为强、弱两个子网络,分析了强、弱接触网络的配位数分布、接触力和组构各向异性等。结果表明在峰值剪应力状态,随着颗粒间滑动摩擦系数μ的增加,强接触网络中参与形成"力链"的颗粒数目基本不变,但强接触网络中颗粒间法向接触力明显增加以及法向接触力各向异性加强,这是导致宏观抗剪强度增大的主要原因。而弱接触网络的配位数分布随μ值明显变化,其对颗粒体系剪胀程度的增加贡献显著。

观音岩大坝碾压混凝土2种设计龄期的温控特性比较

碾压混凝土设计龄期的选择对其后期强度、水化热温升具有重要影响。基于室内混凝土力学和热学试验数据,对90及180 d设计龄期的碾压混凝土特性进行了对比分析;研究制定了2种设计龄期混凝土的温度及应力控制标准。基于有限元单元法采用ANSYS对观音岩碾压混凝土重力坝施工期的温度场及应力场进行了仿真分析;对比了90和180 d设计龄期下坝体内部温度场以及应力场的分布状况;通过对坝体抗裂安全系数、最高温度和应力状况的分析,比较了2种混凝土设计龄期的温控特性,从温控的角度探讨了采用180 d设计龄期混凝土的合理性,为相关工程采用180 d设计龄期提供了重要参考和依据。

封拱温度场对青龙RCC拱坝极限承载能力的影响

温度作用是拱坝承受的主要荷载之一,直接影响拱坝的应力及稳定。从拱坝温度作用影响因素切入,指出控制封拱温度场是可人为调整温度作用的有效措施,并针对湖北省青龙高拱坝施工过程中提出的4个封拱温度场方案,采用弹塑性有限元方法,基于Drucker-Prager准则,利用强度储备系数法,分析青龙RCC拱坝在降强过程中的渐进破坏模式及强度储备系数变化规律,研究封拱温度场对青龙RCC拱坝极限承载能力的影响,并评价拱坝抗滑稳定的安全度。结果表明,各封拱温度场下,随着封拱温度的增高,青龙RCC拱坝在降强过程中塑性区的发展速度变快,但最终溃坝的强度储备系数不变。

构皮滩升船机大体积混凝土浇筑温度应力仿真分析

构皮滩二级升船机基础为大体积混凝土,由于浇筑期处于高温月份,降温幅度大、保温难度高,混凝土温度控制成为其施工的关键。为确保升船机施工期对混凝土浇筑采取的施工条件和方法可行,在充分考虑施工环境气候变化、混凝土材料热学力学性质和人工降温保温措施的基础上,基于有限单元法采用ANSYS软件对其大体积混凝土浇筑全过程进行了三维仿真计算,分析其施工期非稳定温度场及应力场的分布变化规律,并提出相应的温控措施,可为类似工程提供重要参考。

青龙U型薄拱坝极限承载能力及渐进破坏模式分析

U型碾压混凝土薄、高拱坝在国内外尚不多见,其中湖北省青龙拱坝因地形条件的独特尤为特殊,应力分布规律较常规V型拱坝有根本性差异,即在距坝底1/4坝高的下游坝面拱冠处出现较大面积的拉应力区,因此对青龙U型薄拱坝破坏机制及安全度的探讨非常必要。基于带拉破坏Drucker-Prager准则,利用强度储备系数法和超载法,分别对青龙拱坝的极限承载能力进行弹塑性有限元分析;运用位移突变法、塑性区贯通及收敛性等破坏判据,探讨其破坏机制,评价其整体安全度。结果表明:选用分析承载能力的方法不同,则青龙U型薄拱坝在极限承载过程中上、下游坝面破坏形态不同,但坝体最终的破坏形态基本一致;总结了其渐进破坏模式特点,并指出其在极限承载过程中由于应力的自行调整,拉应力减小或消失,满足稳定安全要求。

道路工程土石方调配与施工进度的动态联合优化

土石方调配是道路工程路基设计与施工中的重要问题。根据道路工程土石方调配施工的特点与要求,考虑土石方调配施工过程的动态性、施工进度的局部可调整性以及施工作业面的生产强度限制,将土石方的优化调配与施工进度结合,建立道路工程土石方调配与施工进度的动态联合优化模型,实现道路路基土石方调配的动态优化以及与工程进度的联合优化。工程实践应用表明,本模型的计算结果提高了道路路基开挖料的利用率,减少弃料量和借料区开挖量,减少了弃料占地面积和借料区征地面积,有利于保护道路沿线生态环境,最终实现了经济目标与生态目标的共同改进。本模型具有实用性和可操作性,满足工程应用的要求,可在道路工程中推广应用。