含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验研究

通过开展含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验,并利用高速摄像系统和声发射(acoustic emission,简称AE)系统监测岩爆过程,探究了不同产状裂隙岩石的破坏模式、强度变形和声发射演化特性,分析了裂隙产状与岩爆过程及弹射动能之间的关系,对比了含裂隙岩石岩爆发生机制与无裂隙完整岩石的差异。有关力学特性的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样破坏模式大体呈现由“内剪外劈”向“Z型斜剪”变化的趋势,裂隙对岩石强度的削弱作用不断增大。当裂隙倾角小于30°时,岩石峰值应力普遍仅为完整岩样的一半左右;小倾角裂隙的长度越大,岩样岩板劈裂现象变得显著,形成岩爆坑略微变大,且强度折减幅度越大,峰值轴向应变相应变小;裂隙位置向临空面靠近会加剧岩板的劈裂效应,塑性阶段普遍会产生较大变形并萌生大量裂纹,当裂隙已出露且切断临空面将不易形成岩爆坑。有关岩爆过程及弹射动能的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样弹射动能呈现先显著降低后小幅回升的变化规律,30°倾角为转变拐点;岩样内部裂隙距临空面越近,裂隙岩样的弹射动能越小;树脂填充裂隙使得岩样弹射动能极大提升,而水泥填充的则无明显提升。有关声发射特征的分析表明,裂隙长度越长,裂隙倾角越小,“平静期”相对岩爆过程的时间占比越大,峰后阶段岩爆瞬间的绝对能量占比越小;若裂隙位置靠近临空面,普遍会形成两个“平静期”,AE绝对能量演化曲线也会额外多一次突增;随着裂隙倾角的增大,裂隙岩样b值初期波动阶段的持续时间变长,下降阶段的速率变大,最小b值点与岩爆时刻越相近。大体看来,含裂隙岩石的应变型岩爆发生机制与无裂隙完整岩石是有区别的,其岩爆发生机制主要有剪切破裂型和张拉板裂型两大类。研究成果为裂隙岩石的岩爆灾害发生机制分析、利用声发射手段预警提供了科学依据。

基于组合时间积分算法的碰撞问题振荡现象修正

该文提出了一种能够有效改善碰撞问题振荡现象的修正方法。基于有限元方法,采用Lagrange乘子法施加接触约束条件,并与一种无条件稳定的隐式组合时间积分算法相结合对无摩擦动接触问题进行求解。通过引入附加Lagrange乘子对组合时间积分算法得到的速度和加速度进行修正,使其能够满足速度和加速度形式的接触约束的一致性条件。数值算例结果表明:该文提出的修正方法能够有效地改善碰撞问题中初始接触时速度、接触力等的振荡现象,进一步提高了碰撞问题的求解精度。

不同饱水度花岗岩的真三轴岩爆试验研究

利用真三轴岩爆试验系统,开展了不同饱水度红色粗晶花岗岩的岩爆试验,分析了不同饱水度下岩爆破坏岩样的强度与变形特征、破坏与弹射特征、声发射特性等,探讨了岩石饱水度与岩爆弹射动能的定量关系以及水对岩爆的影响机制。研究结果表明:(1)当岩样的相对饱水度超过0.3,其峰值应力和屈服应力较天然状态的明显降低;(2)岩样饱水度的增加使得岩爆过程中小颗粒弹射减少、小岩片剥落增多、岩板外鼓现象减弱,且岩爆坑体积减小、岩爆碎块的粒径分布由连续分布变为不连续分布;(3)随饱水度的增加,岩爆发生前夕声发射撞击数显著下降的平静期的总历时呈缩短趋势,岩爆发生时刻的声发射撞击数呈增大趋势,且累积绝对能量呈减小趋势、能量释放速度呈放缓趋势,表明岩样塑性破坏特性有所增强;(4)岩爆弹射动能随饱水度的增大而显著减小,二者呈单调线性的负相关关系,水对岩石的作用主要是软化和水楔作用,水的黏性也会对碎块弹射产生影响。

混凝土裂缝非线性断裂的简化预测方法研究

混凝土的裂缝断裂问题是评定混凝土结构工程安全的关键问题.结合起裂韧度准则和黏聚力模型,提出了一种混凝土裂缝断裂分析的简化预测方法.通过给定裂缝黏聚力的分布形式,推导了裂缝张开位移、外荷载的表达式,结合拉伸软化曲线给出了相应的求解方程和求解步骤,获得了裂缝起裂至扩展的全过程曲线.其中,裂缝扩展基于起裂韧度准则,黏聚力产生的应力强度因子和位移采用权函数方法进行计算.利用不同尺寸的楔入劈拉试件对断裂全过程进行了计算,结合现有的混凝土断裂试验成果对本文方法进行了验证.结果表明采用本方法可完整的计算裂缝断裂全过程并准确的预测带裂缝构件的极限承载力,从而验证了本文方法的有效性和合理性.

岩石-混凝土界面Ⅰ-Ⅱ型断裂及声发射特征

通过对岩石-混凝土复合试件进行三点弯曲和四点剪切断裂试验,研究了界面Ⅰ-Ⅱ复合型断裂力学行为及声发射(AE)特征。结果表明:(1)岩石-混凝土界面裂纹主要有三种破坏模式。模态比越高,界面粗糙度越大,界面裂缝出现非界面扩展复杂模式的可能性越大。(2)利用声发射特征参量的突变能够有效判断起裂和失稳临界状态,利用平均频率(AF)、上升时间与幅值之比(RA)两参数比值可量化分析断裂过程的拉剪破裂机制,利用AE事件聚积的方向可预测界面裂缝的扩展方向,从而揭示界面断裂损伤演化规律。(3)试件失稳破坏前夕,声发射信号主频变化明显,低幅低频信号大量剧增且突现不少低幅高频信号,主频有由离散发展为连续的趋势。高模态比时,主频分布的范围相对较大。

不同水灰比和粗糙度的岩石-混凝土界面Ⅰ型断裂性能研究

岩石-混凝土界面是混凝土大坝中常见的结构层面,由于其两侧材料不同的特性,在受外部荷载情况下,其微裂纹极易沿界面发生扩展甚至形成贯穿裂缝,威胁大坝安全。研究界面断裂性能的影响因素具有重要的理论意义和工程价值。利用液压伺服试验机,通过对岩石-混凝土复合试件进行三点弯曲断裂试验,研究配合比和界面粗糙度对岩石-混凝土界面断裂性能的影响。试验结果表明:①水灰比极易影响岩石-混凝土界面的断裂性能,在50%~60%这一范围内,当水灰比增大时,界面的断裂性能会依次减小,在实际工程中需要更为合理地选用水灰比方案。②通过对岩石刻槽处理,从而增加界面的粗糙度可以达到增强界面断裂性能的目的,而在刻槽深度为12 mm这一范围内,增加刻槽深度也能够增强界面的断裂性能。

确定混凝土软化曲线的自修正逆推法

为基于试验所测荷载-裂缝张开位移曲线确定出混凝土软化关系,将全局最佳拟合与参数自动修正技术相结合,提出了自修正逆推法。该方法可以考虑局部特性对软化曲线的影响,允许自定义拟合参数的搜索边界,且无需预先假定软化曲线最终形状。通过开展断裂试验,校验了所提方法的合理性、通用性与稳健性。结果表明:该方法模拟的荷载与试验结果吻合良好,逆推所得软化曲线跟拟合参数初始猜测无关,对不同形式和材料的混凝土试件普遍适用;不同湿度下的软化曲线形状相似,但湿度越低,抗拉强度和临界裂缝宽度越小,且在后期这种减小更显著。

高拱坝施工期横缝增开现象及其相关成因研究

高拱坝施工期横缝开合度变化较复杂,实际工程中出现了一种特殊的横缝增开现象,具有非常明显的同时性和普遍性,并可能对坝体已灌浆部位造成不利影响。本文通过对工程实例的分析与总结,提出了缝面蓄能的概念,指出缝面蓄能过多、通水检查等外因诱导是横缝增开现象的主要成因。本文利用双层有厚度横缝单元对实际工程进行了仿真模拟与数值试验,计算结果说明考虑横缝单元的生死能够有效模拟该现象,数值试验也指出保证横缝在理想时段的及时拉开可以预防横缝增开现象的发生。

溪洛渡特高拱坝初期蓄水工作性态分析研究

大坝各方面性能能否经受住首次蓄水的考验,是关系大坝安全的关键问题。本文针对溪洛渡拱坝,采用非线性有限元方法,考虑横缝的接触非线性,实现了大坝初期蓄水全过程模拟,分析了蓄水过程中坝体和坝基变形、应力的分布特征和变化规律,以及横缝应力和张开度的变化情况,并确定了保证接缝灌浆的安全蓄水水位。研究结果表明,在水荷载作用下,坝体和坝基发生向下游的顺河向变形和向两岸的横河向变形,坝体上游面主拉应力和下游面主压应力不断增大,横缝有压紧的趋势。同时,对坝体与坝基关键变形和应力的初期实测数据与计算成果进行了对比,二者规律吻合较好;并结合国内同类大坝工程的情况分析了蓄水变形实测值与设计计算值存在差异的原因。计算和监测结果表明,溪洛渡初期蓄水阶段大坝应力应变及横缝状态符合特高拱坝低水位运行特征,大坝蓄水整体安全有保障。随着蓄水位增加,需跟踪开展大坝混凝土与基础岩石实际参数的反馈分析,动态评价大坝整体的安全性能。

基于统一强度理论的高强混凝土强度准则

通过对几种双剪强度准则破坏面特征的分析,发现双剪剪应力型材料四参数统一强度理论和非线性统一强度理论具有描述高强混凝土多轴强度特性能力,在此基础上利用现有的多组高强混凝土的单轴抗拉强度、单轴抗压强度、双轴等压强度或常规三轴压缩强度试验结果确定以上两种强度准则中的材料参数,对二轴受力、常规三轴受力和真三轴受力状态的高强混凝土试验数据进行拟合分析,并与其他破坏准则进行了比较。结果表明:上述两种强度理论中剪应力型材料四参数统一强度理论与试验数据吻合较好,可描述常规三轴压强度随着围压增加的非线性特性,以及真三轴强度随中间主应力变化的整体趋势。该准则较其他常用混凝土准则描述效果也相对理想,参数b在[0,0.3]范围取值可获得较小的拟合偏差。此外,利用归一化方法对现有大量试验数据进行处理,以准则破坏面与所有试验点的偏差最小为优化判据,为该准则确定了一套普遍适用于高强混凝土的材料参数值。在缺少标定参数的试验成果时,可采用该普适参数初步确定高强混凝土的强度准则。