成果导向教育理念下材料力学课程创新研究与实践

为培养学生的力学及工程思维,提高学生利用课程专业知识解决实际工程问题的综合能力,材料力学课程应贯彻成果导向教育理念,遵循反向设计原则,以工程问题为牵引、以能力提升为导向、构筑成果导向教育理念下的创新人才培养机制,帮助学生正确、思辨、有效地利用力学模型解决复杂的工程问题,从而有效地引导学生开发自身的工程思维能力和实践创新能力。

高地应力下硬岩爆破破岩特性及能量分布研究

为研究高地应力下爆破荷载和动态卸载效应对破岩效果和损伤破坏范围的影响,在理论上分析了在爆破荷载和动态卸载作用下裂隙区和弹性区岩石应力分布和破裂特征。基于断裂力学和可释放应变能的岩石损伤破坏准则计算了岩石破碎块度d和岩石损伤破坏范围Rd。计算结果表明,当初始地应力达到50 MPa以上,炮孔半径为42 mm,2号岩石改性铵油炸药耦合装药起爆后原岩中积聚的弹性应变能释放后可以达到裂隙区破碎能的16%以上。高地应力卸载后在爆腔腔壁将产生一个径向拉应力,在裂隙区边缘拉应力为2 MPa,最大拉伸位移为0.24 mm,在弹性区由于卸载径向拉伸应力的作用促使其聚积的应变能沿径向释放,使弹性区形成新的损伤破坏,损伤破坏区厚度为0.03 m。随着爆腔半径和裂隙区半径的增大,动态卸载释放的能量和损伤破坏区的厚度也将随之增大。

尾砂胶结充填体的损伤破坏及其与岩体的合理匹配（英文）

为了研究充填体的破坏机理及其与岩体的合理匹配,实现金属矿山的安全高效开采,分別对灰砂配比为0.250:1、0.125:0、0.100:1和0.083:1的4种尾砂胶结充填体进行试块单轴抗压实验。通过其应力-应变曲线,分析不同灰砂配比下充填体的变形与破坏特征。在此基础上,采用损伤力学推导建立4种不同配比充填体的损伤本构方程,并通过本构模型与实验结果的对比分析,验证损伤模型的可靠性。此外,利用突变理论,建立充填体与岩体在相互力学作用下的能量模型,推导出充填体与岩体的系统失稳判据。结果表明:不同配比的充填体表现出不同的损伤特性,充填体灰沙配比越低,达到峰值应力时的损伤值越小,且峰值应力后,损伤破坏过程越明显;从系统失稳的条件上看,岩体强度与充填体强度越低,越容易造成系统的失稳。该研究结果为矿山充填体合理强度设计提供了科学依据。

坡度对碎屑流冲击立式拦挡墙力学特征的影响

由坡度和挡墙倾角的改变造成碎屑流冲击力学模型的改变是目前被忽略的问题。在碎屑流冲击倾式拦挡墙物理试验的基础上,利用离散元数值计算方法研究了坡度对碎屑流冲击立式拦挡墙(墙面与地面的夹角为90°)力学特征的影响,依据死区颗粒堆积特征,流动层颗粒冲击特征以及二者的相互作用特征提出了两种新力学模型:由倾斜冲击挡墙向坡面堆积转变的力学模型和考虑流动层对死区冲切摩擦作用的水平直接冲击力学模型。对不同冲击力学模型进行了验证分析,结果表明:坡度和挡墙倾角改变了死区的堆积特征从而改变了流动层的冲击方向和冲击力大小。当坡度小于40°时,碎屑流流动层首先沿死区上覆面倾斜冲击挡墙,在最大冲击力作用时刻,流动在坡面层状堆积,最大法向冲击合力可按静土压力公式估算。随着坡度的增大,在最大冲击力时刻,流动层颗粒直接冲击挡墙,但由于死区颗粒对流动层颗粒具有摩擦缓冲减速作用,大幅降低了流动层对挡墙的直接冲击力。此时死区对挡墙的作用力主要包括3个部分:流动层沿坡面冲击死区,由死区传递至挡墙的冲击力、流动层对死区的冲切摩擦力以及死区自重的静土压力。死区对挡墙作用力占最大法向冲击合力的比例增大至90%左右。当坡度由40°增大到50°时,在最大法向冲击合力作用时刻,流动层对死区的冲切摩擦力占最大冲击力的比例由15%增大到49%,流动层与死区之间的摩擦系数由滚动摩擦系数转变为静摩擦系数。提出的流动层对死区的冲切摩擦力为碎屑流冲击刚性挡墙力学计算模型提供了新的研究思路。

海底开采高倍线强阻力充填料浆的输送

为解决三山岛金矿充填料浆管道输送过程中存在的高浓度、高倍线、强阻力等技术难题,对三山岛金矿充填料浆展开环管试验,研究高倍线强阻力条件下高浓度充填料浆的管道输送特性。通过测出不同灰沙比条件下不同质量浓度的充填料浆在不同输送速度下的压力损失以及不同停顿时间再次泵送时的启动阻力,得到充填料浆的流变特性。在充填料浆沉降实验和环管试验的基础上,结合非线性牛顿体管道输送理论和计算机流体动态数值分析方法对充填料浆的输送阻力和速度分布进行计算。结果表明:三山岛金矿充填系统采用内径为125 mm的陶瓷复合钢管作为输送管道,灰砂比1:4,质量浓度为72%~78%的充填料浆输送阻力低于5 MPa;随着料浆浓度的提高,其流变模型由屈服伪塑性体逐渐向宾汉体转变;灰砂比为1:10、质量分数为72%的充填料浆输送阻力大于9 MPa,料浆具有典型的固液二相流特征。

基于熵权-理想点的采矿方法优选及采场稳定性研究

为解决盛大铁矿开采技术难题,在实现矿山高效安全经济开采的前提下,提出一种熵权-理想点综合评判指标体系模型,对矿山初选的5种采矿方案进行计算。首先利用熵权理论确定影响采矿方法的各评价指标的熵权系数,然后结合逼近理想解的排序法原理建立熵权-理想点综合评价指标体系模型,从而计算出各方案基于评判指标的贴近度。结果显示,5种初选方案的贴近度分别为70.3%,44.2%,64.8%,61.1%,46.3%,第一种方案即分段接力退采分段充填采矿法为最优。同时对采场进行数值模拟,对运用优选出的采矿方法时采场的应力、位移以及塑性区进行计算,并将计算结果与现场实测数据进行对比,得出采场岩体在充填后,应力位移增加较缓慢。并在盛大铁矿矿区-175^-162.5 m分段进行工业试验,取得显著经济效益,具有重要工程实际意义。

碎屑流冲击柔性网的离散元仿真研究

柔性网和碎屑流相互作用包括碎屑流散体运动冲击和柔性网连续大变形两个复杂的力学过程。由于目前柔性网和碎屑流相互作用的力学理论计算方法尚不成熟,为此提出一种利用Hertz–Mindlin黏结接触模型模拟柔性结构,利用无滑移的Hertz–Mindlin模型模拟碎屑流的离散元仿真方法。选择有横向支撑锚索的沟道碎屑流防护结构进行模拟计算,并定义碎屑流动能变化率Wk和碎屑流死区质量与碎屑流总质量之比Fm来对比碎屑流冲击柔性网和刚性挡墙的动态响应过程。结果表明:与冲击刚性挡墙不同的是,碎屑流冲击柔性网时冲击荷载首先沿坡面方向冲击,使承力锚索在水平方向和竖直方向均产生较大的变形。随后冲击荷载作用方向逐渐转变为以水平冲击为主,使堆积区上部锚索的水平偏移值和碎屑流在水平向的堆积范围增大。利用经验公式求得的作用于刚性挡墙的最大法向冲击合力与数值计算结果较为一致,而利用经验公式求得的作用于柔性网的最大法向冲击合力比数值计算结果大45%以上,因此利用经验公式计算碎屑流作用于柔性网的最大法向冲击力时,需要重新确定动土压力系数CD和弗洛德数Fr之间的关系。

碎屑流被动柔性防护网的结构与安装特征研究

被动柔性网广泛应用于崩塌碎屑流等地质灾害的防护工程中。但是碎屑流被动防护网的结构和安装形式在工程和研究中仍不统一,容易造成实际工程中的选型错误以及计算理论在工程应用中误用。将碎屑流灾害划分为坡面碎屑流和沟道碎屑流两种灾害类型,对这两种灾害类型对应的柔性网结构和安装特征进行了野外调查和力学理论分析。分析结果表明,柔性网主副网结构、柔性网安装倾角和柔性网的安装位置是目前研究和工程应用中被忽略的问题。柔性网结构和安装特征对碎屑流的动荷载和静荷载具有重要的影响。在碎屑流物理模型试验中,不仅需要考虑柔性网安装方式对碎屑流运动无量纲数的影响,还需要考虑柔性网结构的功能相似问题。本文对碎屑流柔性网的工程应用和理论研究均具有一定的指导意义。

GFRP锚杆加固顺层岩质边坡的机制研究

由于传统钢筋锚杆存在易腐蚀、耐久性差等缺点,GFRP(玻璃纤维增强复合材料)锚杆得到了高度重视。然而,GFRP锚杆的弹性模量小且抗剪强度低,故其加固顺层岩质边坡的机制仍需进一步研究。考虑顺层岩质边坡的顺层滑移破坏模式,基于Winkler假定和锚杆荷载传递机理对边坡岩体与锚杆的相互作用机制进行理论分析,建立剪切位移作用下锚杆的力学模型,并对其进行验证。基于此,结合GFRP锚杆的物理力学参数(如弹性模量、抗剪强度等),考虑坡体剪切位移、锚杆与潜在滑面夹角及岩体无侧限抗压强度等影响因素,分析GFRP锚杆加固顺层岩质边坡的机制。结果表明:1)当锚杆与潜在滑面夹角为45°时,硬岩中坡体较小的剪切位移导致GFRP锚杆发生剪切屈服;软岩中坡体产生较大的剪切位移时,GFRP锚杆发生受拉屈服。2)当锚杆屈服时,GFRP锚杆在加固不同抗压强度的岩体时提供的抗力差异较大,加固软岩时抗力最大;随着岩体无侧限抗压强度增大,GFRP锚杆提供的抗力逐渐变小;相比而言,钢筋锚杆在加固不同抗压强度的岩体时提供的抗力大小基本接近。3)硬岩中,锚杆与潜在滑面夹角对GFRP锚杆抗力的影响较大,夹角越小,抗力越大;软岩中,锚杆与潜在滑面夹角对GFRP锚杆抗力的影响较小;当夹角为5°～60°时,GFRP锚杆均能提供较大抗力。研究结果为岩质边坡锚固研究及工程应用提供参考。

粉土密实度对斜坡动力响应特性影响的振动台试验研究

为研究粉土密实度对斜坡动力响应特性的影响,设计密实度为稍密和中密的2组斜坡模型,开展相似比为1:15的不同密实度斜坡的大型振动台试验。通过输入不同地震强度和波形的地震波,对比2组斜坡的自振频率、加速度响应、频谱特性、动位移分析和剪应力-剪应变曲线。研究结果表明:粉土密实度对斜坡的动力响应特性有重要影响。2组斜坡的自振频率变化率均随加载序列增加而上升,但中密斜坡的自振频率变化率的上升幅度比稍密斜坡的自振频率变化率的上升幅度小;2组斜坡的加速度放大系数和傅里叶谱幅值随坡高的变化规律有所差异,但中密斜坡的加速度放大系数和傅里叶谱幅值均比稍密斜坡的小;地震波经坡体由下至上传递过程中,不同密实度斜坡对傅里叶谱主频的影响显著;斜坡的阶段位移和永久位移总体上随密实度的增大而减小;中密斜坡土体尚处于线性发展阶段,而稍密斜坡土体已进入非线性发展阶段。

编制辽宁省刺槐人工林林分密度管理图

为了利用数学图象来表达林分密度与林分其它测树因子间的数量关系及其动态规律,适时适量地调整林分密度,于1983—1985年,根据全省刺槐(Robinia Pseudoacacia Linn)林的分布、立地及起源的不同,分别编制了林分密度管理图共九份。图中的标准密度管理线,是利用抚育间伐定位试验地,观测数据中产量最高的密度—蓄积(ha)数据拟合方程而成;最大密度线选用M_m=A_i·N_m^(-B_1)式;等树高线和等直径线选用M^(-1)=A_1+B_1·N^(-1)及式M^(-1)=A_2+B_2·N^(-1);自然稀疏线选用M=[A_i·(B_1+1)·(B_1/(B_1+1))^(-B_1)]·[1-N/N_0]·N^(-B_1)式;密度管理线选用M_p=P·M_m式。该密度管理图精度,等树高线为95.4％,等直等径线为93.4％。

棕榈纤维生物炭的制备及其对U(Ⅵ)的吸附性能

采集棕榈树纤维制成生物炭,并经KOH改性、微波辐照,合成了KOH改性棕榈纤维生物炭(K-M-PFC),研究了含铀溶液pH值、反应时间、初始U(Ⅵ)浓度、吸附剂用量等因素对K-M-PFC吸附U(Ⅵ)的影响。结果表明,在溶液U(Ⅵ)初始浓度10 mg/L、反应温度30℃、pH=5、K-M-PFC用量0.233 g/L、反应时间75 min条件下,K-M-PFC对U(Ⅵ)的最大吸附量可达到43.042 mg/g。

偕胺肟基改性满江红干粉对水中U(Ⅵ)的吸附

采集池塘中的野生满江红制成满江红干粉后,经偕胺肟基改性,合成了偕胺肟基满江红干粉(AI-g-AO)。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)表征分析了吸附前、后的AI-g-AO的微观组织结构、元素组成与结构。采用单因素实验研究pH值、反应时间、初始U(Ⅵ)浓度、吸附剂用量等对AI-g-AO吸附U(Ⅵ)的影响。运用准一级、准二级动力学模型、Langmuir和Freundlich等温线研究吸附过程。结果表明,在30℃、初始U(Ⅵ)浓度15 mg/L、吸附剂:U(Ⅵ)溶液=1 g∶1 L、pH值为6条件下,U(Ⅵ)的最大吸附量为14.98 mg/L。准二级动力学、Langmuir等温线适用于吸附过程。综上,AI-g-AO是一种较好的U(Ⅵ)生物吸附材料。

KOH和微波辐照改性满江红生物炭对水中U(Ⅵ)的吸附

研究了以野生满江红为原料制备满江红生物炭(AIC),再经KOH浸泡和微波辐照获得改性满江红生物炭(K-M-AIC)并用以吸附溶液中的U(Ⅵ),借助扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪、元素分析表征了AIC、K-M-AIC及吸附U(Ⅵ)后的K-M-AIC的结构和性能,考察了K-M-AIC用量、体系pH、反应时间、初始U(Ⅵ)质量浓度对K-M-AIC吸附U(Ⅵ)的影响,采用准一级和准二级动力学模型、Langmuir和Freundlich等温吸附模型分析了吸附过程。结果表明:在体系pH=5、初始U(Ⅵ)质量浓度10 mg/L、K-M-AIC用量0.133 g/L、温度30℃条件下,U(Ⅵ)最大吸附量为124.903 mg/g;吸附过程更符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型。K-M-AIC生物材料可用于从溶液中吸附去除U(Ⅵ)。

一种滑坡模拟实验装置的设计与运用

我国的地质灾害情况有很多,包括地震、泥石流、山体滑坡塌陷等等,这些地灾常常给人们带来生产生活上的困难。为了模拟山地灾害对物体的冲击情况,更好的研究山地灾害冲击运动机制,设计了滑坡模拟实验装置。本文简要介绍了该装置的实验原理、组成结构与操作方法及其各项功能,本实验装置可以通过改变滑槽的倾角来模拟不同的山体滑坡以及其它碎屑流的滑动现象,在滑槽末端安装柔性网就可以研究碎屑流流动的力学特征以及堆积特征,在堆积平台上放置物体就可以观察不同滑坡的破坏能力。通过本实验可以了解滑坡的产生及危害,实验装置具有足够的耐久性满足教学科研的需要。

柔性网结构对碎屑流冲击力学特征的影响研究

柔性防护网是山区崩塌碎屑流常用的拦挡结构。目前柔性网的结构设计仍普遍采用经验系数法,忽略了碎屑流结构特征对碎屑流冲击力学特征的影响。为此结合物理试验和离散元数值仿真试验研究横向支撑绳、主网、副网和耗能器4个柔性网构件在碎屑流冲击作用下的力学特征。研究结果表明,在设置了侧向拉绳的情况下,横向支撑绳数量对碎屑流冲击作用下柔性网内最大拉力的影响较小;当碎屑流的透过性少于10%时,副网的布设并不会大幅改变碎屑流对柔性网的冲击荷载;网型是柔性网大变形能力的重要指标,柔性网网面的大变形是由于网片的网格形态改变释放的变形,而不是网面材料本身的变形;耗能器不仅可以降低支撑绳内的最大拉力还可以改变支撑绳之间的荷载传递。

基于蠕变损伤耦合的海底开采点柱稳定性分析

针对海底金属矿开采过程中采场留设点柱的稳定性问题,采用损伤统计本构理论,在西原模型的基础上提出一种参数获取相对简单的三维非线性蠕变损伤模型,并给出由稳态蠕变向加速蠕变过渡的判定方法。利用ANASYS数值软件分析了三山岛金矿新立矿区海底点柱式充填采矿法矿房的应力分布,并应用三维非线性蠕变损伤模型对点柱稳定性进行了黏弹塑性损伤分析和渗流分析。该模型充分考虑了岩石的基本力学参数和工程地质调查结果,可推广至其他流变物理模型,对于大型岩土工程的蠕变渗流分析具有较强的适应性。

碎屑流冲击下柔性防护网的力学简化模型

柔性防护网是一种广泛应用于碎屑流防治的防护结构,目前缺乏综合考虑碎屑流冲击荷载组成特征及支撑绳受力特征的力学模型对其防护特性进行评估。基于碎屑流冲击拦挡结构的2种冲击模式,并考虑动、静及摩擦冲击荷载的组成,构建碎屑流的冲击荷载计算模型,并在考虑碎屑流不同冲击阶段和冲击模式的基础上,结合索结构力学,建立考虑碎屑流荷载组成和支撑绳受力特征的柔性防护网力学简化模型。对比碎屑流冲击柔性网的室内滑槽模型试验结果发现,底部支撑绳冲击荷载计算结果比试验值偏大,坡面堆积工况下的冲击荷载和柔性网受力计算结果基本符合试验结果,而连续冲击工况的计算结果大于试验结果。总体上,力学理论模型可以有效地描述其余支撑绳上所受荷载的非线性分布特征,且计算结果偏保守。