考虑实际接触三维粗糙度退化的软岩节理剪胀规律预测模型

为预测岩石节理的剪胀变形行为,分析了恒法向荷载作用下实际接触微凸体三维粗糙度在剪切过程中的退化规律,提出了一个适用于软岩节理的剪胀曲线预测模型。在剪切荷载作用下节理法向位移的变化是节理在三角形微凸体侧面爬坡上升行为与爬越一些微凸体顶点后闭合行为的叠加,爬坡行为与闭合行为引起的位移都正比于节理最大可能剪胀角。最大可能剪胀角退化的实质是实际接触节理微凸体平均等效倾角的退化。通过分析初始剪切与残余应力阶段的节理形貌特征,提出了计算初始最大可能剪胀角与残余应力阶段剪胀角的模型。基于软岩节理不发生突然脆性破坏的假设,进一步通过研究剪切过程中节理微凸体退化规律,量化了最大可能剪胀角的变化规律。定量了节理爬坡行为、闭合行为与最大可能剪胀角之间的关系,进而提出了节理剪胀规律预测模型,通过试验验证了模型的有效性。模型可较准确预测软岩节理的剪胀规律,并可合理描述节理初始阶段剪切压密行为。

基于Weibull分布的高温高围压岩石统计损伤本构模型

深部岩石通常处于高温及高围压环境中,深入研究深部岩石的本构关系对于深地矿产资源的开采、地热的高效利用以及岩体的稳定性分析等具有重要的理论和现实意义。为研究岩石在不同温度和围压作用下的静态三轴压缩破坏全过程本构关系,基于宏观唯象损伤力学的概念,从岩石的弹性模量随着温度变化的角度出发,得到了岩石在温度作用下的损伤表达式;又基于Weibull分布和修正的Mohr-Coulomb强度准则,将岩石细观均匀化,并结合统计损伤理论,得到了岩石在轴向压力作用下的统计损伤表达式;然后根据推广的应变等价性原理将两部分损伤耦合,得到了岩石在高温及轴压力作用下的岩石耦合损伤表达式。将所得的耦合损伤表达式结合考虑岩石残余应力的Lemaitre应变等价性假说以及有效应力原理,同时考虑岩石内部裂纹起裂阈值的影响,将本构模型分为阈值应变之前和阈值应变之后两部分,得到了一种分段函数形式的可反映高温及高围压影响的岩石统计损伤本构模型。为验证模型的适用性和准确性,分别将岩石在温度为25、200、400、600、800、1000℃和围压为0、10、20、30、40 MPa情况下的模型本构曲线与试验本构曲线进行了对比验证,对比结果较好,可以反映出岩石存在临界温度。在围压一定时,随着温度的升高,岩石的强度先增大后减小;在温度一定时,随着围压的升高,岩石的延性逐渐增强。

考虑实际接触节理微凸体对剪切强度不同贡献比例的峰值剪胀角模型

节理的剪切力学特性一直是岩石工程关注的重点,峰值剪胀角是描述节理抗剪能力的关键物理量,合理的峰值剪胀角模型应能充分反映节理的峰值抗剪强度。为预测节理峰值剪胀角,阐明节理峰值剪胀角与节理形貌的内在联系,首先明确了节理面上对剪切强度有贡献的微凸体分布范围,然后确定了实际接触节理中各部分微凸体对强度的贡献比例。在节理面上抵抗剪切的阻力是由面向剪切方向的所接触的微凸体产生的。提出了实际接触的最小视倾角θ_(cr1)^(*)和剪胀破坏过渡到剪断破坏的临界角度θ_(cr2)^(*)分别用于界定微凸体是否参与剪切过程,以及微凸体的破坏模式。对于有效视倾角θ^(*)在θ_(cr1)^(*)~θ_(cr2)^(*)间的微凸体,其破坏模式为剪胀破坏,对剪切强度的贡献正比于θ^(*)。对于θ^(*)在θ_(cr2)^(*)~θ_(max)^(*)(其中,θ_(max)^(*)为最大有效视倾角)间的微凸体,其破坏模式为剪断破坏,对剪切强度的贡献正比于θ_(cr2)^(*)。进一步考虑实际接触节理微凸体对剪切强度不同贡献比例与微凸体面积比含量,推导出了等效实际接触节理平均角。将等效实际接触节理平均角等同于节理峰值剪胀角,提出了新的节理峰值剪胀角模型。新模型物理意义明确,现有相关所提粗糙度指标仅仅是等效实际接触节理平均角的一种特殊情况。采用89组试验数据对比分析了6种模型的计算精度,结果表明新模型的预测精度最佳(平均误差为10%)。新的峰值剪胀角模型中确定θ_(cr2)^(*)较为关键,不同材料节理对应的临界角度θ_(cr2)^(*)不同,考虑到模型形式的简化,取θ_(cr2)^(*)=32°来统一确定新的峰值剪胀角模型。简化后的节理峰值剪胀角新模型估算的相对平均误差为11%,预测精度高于本文列举的多个模型。讨论了θ_(cr2)^(*)对不同形貌节理的影响及其取值依据。结果显示,节理粗糙度较大时,新模型精度高于其他模型,通过89组试验数据拟合得到θ_(cr2)^(*)取值是合理的。

一种新的表征岩石节理粗糙度指标系统

基于长方体微凸体两种破坏模式提出了等效高差概念来反映微凸体几何参数对剪切强度贡献比例。不同剪切方向的等效高差分布不同可反映节理剪切方向性。进而提出了基于等效高差的节理三维粗糙度指标系统,其中平均等效高差表征了不同破坏形式的微凸体对强度的贡献,也可反映节理面的起伏方向性;分形维数表征了不同尺度粗糙度的关系,可从尺度上全面描述节理面信息,并且也可表示剪切方向性。最后基于三维测量系统获取了节理面离散点坐标值并计算出新指标系统具体数值,验证了指标系统可以描述剪切方向性,同时克服了采样间距的影响。新指标系统物理意义明确,可反映不同微凸体对强度贡献比例。

用外加劲肋加固T型圆钢管节点的试验研究

T型圆钢管节点主管轴向刚度较大,径向刚度较小,当通过支管向主管传递轴向力时,往往因为主管节点处径向承载力不够而发生较大变形甚至破坏,造成对支管强度的浪费。本文提出用外加劲肋加固T型节点,材料和施工成本较低。通过3组不同支管主管外径比的T型圆钢管节点承载力对比试验的研究,结果表明:由于外加劲肋的支撑,加固后的节点塑性区域扩大,节点极限承载力和变形能力提高,但极限承载力和变形能力的增幅随支管与主管外径比的增大而降低。工程中应根据不同支管与主管外径比,合理选择加劲肋尺寸。

岩石节理粗糙度新指标及新的JRC确定方法

为使二维粗糙度指标能够反映岩石节理形貌的方向特征,同时可以克服采样间距取值对粗糙度指标大小的影响。将岩石节理面划分为一系列连续的长方体微凸体,提出一种确定长方体微凸体计算长度的计算模型。通过平均同一剪切方向上长方体微凸体的计算高度提出了一个新的描述形貌面粗糙度的指标c。指标c是由长方体微凸体2种破坏模式结合一种确定长方体计算长度的模型得到,可以将节理几何特征与剪切强度结合起来,进而将节理粗糙度与节理剪切强度结合起来,这就为考虑剪切方向性的岩石节理剪切强度公式的提出提供可能。粗糙度指标c可以将形貌面客观定量表示,同时具有方向性,即剪切方向不同时对应的c不同。以标准JRC曲线为例,基于图像分割技术提取了标准JRC曲线坐标信息,阐述了粗糙度指标c的计算过程。在某一测量间距下获取的粗糙度指标不足之处是比该测量间距较小的粗糙度将被掩盖,而小尺度的粗糙对于抵抗剪切的贡献不应被忽略。通过计算不同采样间距的粗糙度指标c,发现指标c随着采样间距增大而呈幂函数形式减小,显示具有分形特征。基于分形思想,提出可同时反映节理形貌面各向异性并且不受测量尺度影响的粗糙度评价系统。分析了粗糙度描述系统指标与JRC之间的关系,证明该描述系统指标可与节理剪切强度建立良好的关系。

节理峰前剪切刚度软化模型及其影响因素分析

节理峰前剪切应力-位移曲线是研究节理剪切行为的重要内容。然而目前对于节理峰前剪切行为大多以线性描述,不能较好的描述非线性的特点。对于非线性的描述也仅仅是唯象描述剪切应力-位移曲线,未能反映影响模型的参数物理意义及影响因素。以峰前节理刚度软化行为为出发点,采用归一化的思想将节理剪切刚度与位移无量纲化,用双曲线函数表示出剪切刚度与位移之间的关系。提出了考虑刚度软化的峰前剪切本构关系,通过与试验结果对比验证了本构关系的合理性。影响该模型最重要的两个因素是初始剪切刚度与峰值剪切位移。以Greenwood和Williamson模型为基础在细观上探讨了初始剪切刚度的影响因素;抓住法向应力与节理粗糙度主要因素,探讨了影响峰值剪切位移的影响因素。对模型参数的研究有助于进一步阐明节理峰前剪切机理。

基于3D打印技术复制砂浆节理的剪切试验及峰值抗剪强度模型

为进一步研究节理三维形貌特征与节理峰值抗剪强度的关系,首先采用巴西劈裂试验获取了自然劈裂岩石表面,通过三维扫描技术获取了节理面形态的高精度点云,通过逆向建模得到了自然岩石表面的立体模型,结合3D打印技术制作出了与自然岩石表面一致的PLA模具,以3D打印获得的底模通过水泥砂浆浇筑了含有自然结构面形貌的相似节理面试样。PLA模具与复制材料差异较大,复制材料在凝结过程中不易与PLA模具黏结,进而使脱模过程较为方便,不会破坏节理面。同时PLA模具可重复进行相似材料复制工作,具有可重复使用的优点。然后进行了具有5组形貌面的20个水泥砂浆节理面在4种不同法向荷载情况下的结构面剪切试验,得到了结构面剪切位移-荷载曲线。研究了结构面峰值抗剪强度、峰值位移、剪切刚度影响因素。节理经过剪切后形貌面出现不同程度的磨损,其磨损范围与等效高差分布范围基本一致,并且在等效高差为剪断破坏模式且成片的区域磨损较为严重。在新粗糙度指标基础上提出了新的峰值抗剪强度模型,经试验对比显示出新模型的有效性。在新模型基础上提出了一个简化模型。对比发现新模型简化后其计算精度较新模型有所降低但由于所需参数减小计算较为方便,新模型简化结果精度虽然有所下降但是还是比Barton公式精度高。

考虑微凸体曲率半径变化的GW改进模型

经典的GW(Greenwood和Williamson)模型假设微凸体均为弹性,并没有考虑到微凸体磨损后曲率半径变化的情况。在经典赫兹接触理论与GW模型基础上推导出微凸体曲率为定值时的摩擦面剪切刚度公式。根据Mohr-Coulomb准则探讨了单个微凸体在法向压力与切向摩擦力作用下的屈服点位置,推导出单个微凸体所能承受的临界压力公式,由临界压力公式发现压力与微凸体曲率半径一一对应。提出一个考虑微凸体磨损的摩擦模型,结合单个微凸体临界压力公式与微凸体为定值时的摩擦面剪切刚度公式,得出了考虑微凸体曲率半径变化的摩擦面剪切刚度公式。该模型计算结果真实反映了试验情况:对于确定粗糙度的岩石表面,随着压力增加岩石表面逐渐变平缓;对于不同粗糙度岩石表面,随着粗糙度增加岩石表面更容易被磨平。

后张预应力加固无构造柱砌体墙抗震性能试验

砌体结构的抗压强度远大于抗拉、抗剪强度,适合应用于受压为主的构件。由于其具有自重大,材料呈脆性,抗拉、抗剪、抗弯能力低等缺点,使得其抗震性能较差。针对农村地区砖砌体结构房屋抗震加固改造工程量大面广,所需资金缺口大、来源匮乏的现状,充分发挥后张预应力技术的优势,提出一种适用于既有砌体结构的新型抗震加固技术。在此基础上,通过5片构件(1片未加固墙片和4片加固墙片)抗震加固实验验证了此新型抗震加固方法的有效性和优越性。试验结果表明,与相同设计的未加固墙体相比,后张预应力加固无构造柱砖砌体墙体的抗剪承载力、变形能力和耗能能力均有大幅度提高,提高幅度高于2倍。该后张预应力加固既有砌体结构新技术具有施工简便、质量容易控制、工期较短、对结构影响小、造价低廉等优点,具有广阔的应用前景。

考虑真实接触微凸体的岩石节理三维粗糙度指标

节理在压剪作用下,仅仅是一小部分较陡微凸体发生接触而相互作用。以往在描述粗糙度时是考虑整个形貌面微凸体的分布特点,这使得所得粗糙度指标弱化了较陡微凸体作用而强化了较平缓微凸体对剪切强度的作用(实际上大多平缓微凸体在剪切过程中未接触)。为考虑实际接触节理的粗糙度,基于Grasselli视倾角分布函数研究了不同视倾角的面积比含量,分析了较陡接触微凸体对节理抗剪强度的作用。对于完全耦合的并且没有填充物的节理,当承受法向荷载时,节理少部分接触微凸体会发生弹性变形,在最初接触的微凸体部分会发生屈服。随着法向应力继续增加,会有更多的微凸体相互接触并发生屈服,这一过程会连续发生直至相互接触的微凸体面积足够大能够承受给定法向荷载的作用。因此,所有接触微凸体中的最小倾角为在一定荷载作用下刚好屈服的微凸体的倾角。对于岩石节理在法向应力下的剪切问题,实际接触面积可以近似认为是作用在节理面上法向荷载除以岩石的单轴抗压强度。考虑实际接触部分节理微凸体分布特征,获取了实际接触节理微凸体平均有效视倾角,得到了合理的三维粗糙度指标。采用巴西劈裂试验方法获取岩石节理面,扫描并获取了节理形貌坐标数据,用以研究节理表面粗糙度。节理峰值剪胀角反映了在某一法向应力下节理的剪切性质,并且可以准确的反映节理峰值抗剪强度。对比分析了实际接触节理粗糙度与节理峰值剪胀角趋势变化,结果表明节理粗糙度新指标可以与节理峰值抗剪强度很好地联系起来。

高渗透压脆性岩石蠕变宏-细观力学模型研究

高渗透压对深部地下工程脆性岩石蠕变力学特性有着重要影响。然而,能够解释高渗透压作用脆性岩石完整减速、稳态及加速三级蠕变过程中,细观裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型研究很少。基于考虑含有初始裂纹与新生成翼型裂纹影响的裂纹尖端应力强度模型,引入渗透水压与初始裂纹及新生成翼型裂纹之间的力学关系,建立了考虑渗透水压作用的裂纹尖端应力强度模型;然后结合亚临界裂纹扩展法则,与裂纹及应变损伤关系模型,推出了考虑渗透水压影响的脆性岩石蠕变裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型。当施加轴向应力小于岩石裂纹启裂应力时,岩石近似表现为线弹性变形;当施加轴向应力大于裂纹启裂应力且小于岩石峰值强度,岩石表现为塑性蠕变变形。研究了不同渗透压作用下,分级轴向应力加载岩石蠕变应变时间演化曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性。分别讨论了恒定渗透压与分级渗透压,对脆性岩石蠕变过程中裂纹长度、裂纹扩展速率、轴向应变及轴向应变率的影响。该模型为高渗透压深部地下工程围岩稳定性评价提供了重要理论依据。

夹层非均匀分布的块系岩体摆型波传播规律

岩体是具有离散性、非均匀性特征的复杂地质体,在这种离散性、非均匀性岩体中会出现摆型波现象,极易引发深部岩体工程灾害。针对岩体的离散性、非均匀性特征,基于岩体等级块系构造理论,研究夹层物理性质非均匀分布对块系岩体摆型波传播规律的影响,分析同一区域夹层黏弹性特性变化对不同区域块体动力响应的影响,以及不同区域夹层黏弹性特性变化对同一块体动力响应的影响。研究发现:当局部软弱夹层弹性系数减小时,与该部分相连接的块体的动力响应受影响较大,出现加速度峰值增大的现象;局部软弱夹层黏弹性特性变化时,对该部位前后位置的块体动力响应的影响是不同的;夹层弹性或黏性发生变化的位置对摆型波传播具有重要影响,黏弹性变化位置越靠前,对块系岩体动力响应的影响越强烈。根据以上分析结果提出对深部岩体工程有指导作用的建议,也为进一步研究离散、非均匀的复杂深部岩体动力现象提供参考。

既有框架结构外附斜拉子结构抗震加固技术研究

提出了既有钢筋混凝土框架结构采用外附斜拉子结构的抗震加固方法。通过有限元仿真分析的方法对比研究了1榀未加固框架结构和4榀加固框架结构在水平低周反复荷载下的受力性能。分析结果表明,采用外附斜拉子结构进行加固的框架结构,其抗震承载力较未加固框架显著提高,提高幅度可达120%~250%;加固结构的初始刚度较未加固结构可提高一倍以上,加固结构的最终残余变形仅为原来的1/5~1/6,实现了结构的自复位,耗能性能也得到较大提升;该方法可使结构在中震下维持弹性状态,是一种有效的抗震加固方法;变参数分析结果显示,增加预应力筋数量,可提高加固效果。

不同接触位置的红砂岩规则锯齿节理面剪切特性研究

不同接触位置对规则锯齿节理面的剪切特性存在一定影响,为探究其影响规律,制作了具有相同粗糙度但接触位置不同(平直部分集中分布于节理面中部或对称分布于节理面两侧)的规则锯齿节理面,在不同起伏角、不同竖向应力条件下开展直剪试验。试验结果表明,节理面的剪切应力-剪切位移曲线可划分为4个阶段:峰前线弹性阶段、峰前非线性阶段、峰后软化阶段、峰后残余阶段。线弹性阶段节理面的剪切刚度、破坏时峰值剪切强度与锯齿的起伏角、节理面所受竖向应力以及节理面接触位置均有关;但残余剪切强度只与节理面所承受的竖向应力有关,符合摩擦作用的规律。

障碍物影响下可燃气体爆炸火焰传播规律的研究进展

为有效地控制和预防可燃气体爆炸事故造成的损害,需明确障碍物对可燃气体爆炸火焰传播规律的影响。国内外学者对障碍物影响下的可燃气体泄漏爆炸机理和火焰传播规律开展了广泛的研究。笔者对目前障碍物影响下可燃气体爆炸火焰传播规律的研究进行了回顾,在总结已取得火焰传播规律成果的同时,对孔网结构障碍物的阻爆研究进行了综合评述。指出了诸如爆炸火焰湍流化动力学规律问题、爆炸火焰传播的内部机制问题、孔网结构障碍物的评估优化问题等不足,以期对该领域的研究人员有所帮助。

多因素对再生微粉改性城墙内芯土强度的影响

掺加废城墙砖再生微粉改进城墙内芯土的强度特性,不仅有利于城墙保护,还可以有效利用建筑垃圾。通过室内试验研究了再生微粉掺量、城墙内芯土含水率及养护条件等因素对居庸关城墙芯土强度的影响。结果表明,试件的无侧限抗压强度与再生微粉掺量、初始含水率、养护龄期以及养护是否包膜有一定关系;结合土样的应力-应变曲线可知,城墙内芯土中再生微粉掺量为10%、含水率控制在13%左右时,夯实后在自然状态下养护7 d可使城墙内芯土的整体强度得到明显提高。

后张预应力加固无筋砖砌墙体抗震性能试验研究

针对砖砌体结构抗震性能差的问题,提出了采用竖向后张预应力对砖砌体结构进行抗震加固的方法,即沿被加固墙体均匀布置预应力筋并施加竖向预应力,使墙体均匀受压,从而改善砌体墙体在地震作用下的破坏形态,提高其受剪承载力和抗震耗能能力。为验证该项方法的加固效果,对加固无筋砖墙体及其对比墙体进行了拟静力试验,试件中有5片为整截面墙体,4片为开洞墙体,研究对比分析了未加固墙体与后张预应力加固墙体的破坏形态和受力特点。结果表明,后张预应力加固可以显著提高墙体的受剪承载力和变形能力,抗震耗能能力显著增强。其中整截面墙体加固后,其承载力和延性的提高幅度较开洞墙体更为显著。但预应力施加不宜过大,当预应力与竖向荷载的组合作用轴压比超过临界点时,延性会有一定程度下降。同时,后张预应力加固还可以降低无筋砖砌墙体的刚度退化速率,提高无筋砌体墙的开裂后刚度,这对改善墙体在强震作用下的受力性能有重要作用。该加固方法基本不改变墙体的弹性抗侧刚度,加固后墙体的质量也基本没有增加,是一种行之有效的抗震加固方法。

后张预应力加固无筋砖墙非线性有限元分析

提出采用后张预应力筋对砖砌体结构进行抗震加固的新技术。为验证加固效果,采用MSC.MARC通用有限元分析软件建立后张预应力加固无筋砖墙墙片的有限元模型,进行在水平低周反复荷载下的数值仿真计算,并与试验结果进行对比验证。结果表明,后张预应力加固技术可以显著提高无筋墙体的开裂能力和抗剪承载力,改善墙体抗震性能。

后张预应力加固带构造柱砖墙性能研究

为解决带构造柱砖砌体墙体在地震作用下易开裂、易发生脆性破坏等抗震性能差的问题,提出了一种新型后张预应力加固带构造柱砖砌体方法。为验证该方法的加固效果,进行了8片带构造柱砖砌体墙片在水平低周反复荷载下的试验,包括1片无预应力筋加固的对比墙片;7片均匀布置不同对数预应力钢筋与不同竖向预应力的加固墙片。并进一步基于MSC.MARC有限元软件分析了其在单调位移加载下的受力形态。试验与有限元仿真结果共同表明该方法可以显著提高无筋墙体的抗剪强度与整体性能,从而显著提高其抗震能力。在验证有限元计算方法正确的基础上进行了有限元参数化分析,分析结果表明在预应力钢筋应力比为0.4时加固效果较好。