物质点法在岩石断裂数值模拟中的应用

裂隙的存在严重影响了岩体结构稳定,合理描述含裂隙岩石的非线性力学特性的变化规律是近些年研究的重难点。对此,提出了一种考虑质点失效的光滑粒子动力学数值模拟方法(RSMPM)。RSMPM依据MPM算法的基本原理,采用摩尔—库伦破坏准则,在每一计算步中均遍历所有质点,对达到破坏条件的质点进行失效处理,以质点的失效过程来描述岩石的动态断裂过程。通过将单裂隙标准立方体试样、单裂隙巴西圆盘试样的数值模拟结果(裂纹扩展过程、主应力云图分布)与以往研究成果的对比验证了所提方法的准确性,为光滑粒子动力学方法在岩石力学工程中的应用及岩石断裂机理的认识提供了参考。

预氧化煤复燃行为演化特征及微观动力学机制

为探究不同预氧化程度煤的复燃行为演变特征及微观机制,采用程序升温试验、红外光谱测试和电子自旋测试对不同预氧化程度煤样进行宏观复燃特性与微观结构特征研究,测定复燃过程自燃特性参数以及活性基团与自由基的变化规律。结果表明,不同预氧化程度的煤在复燃过程中,耗氧速率和标志性气体(CO、CO_(2))产生率均低于原煤,表观活化能则均高于原煤,且预氧化至90℃煤的自燃特性参数相较于其他不同预氧化程度煤更接近于原煤;说明预氧化至临界温度的煤体自燃倾向性更高。其微观动力学机制是由于不同预氧化程度(60℃、90℃、120℃、150℃、180℃、210℃)煤中还原性官能团数量,其中—OH伸缩振动峰面积分别为10.37、10.92、9.85、9.58、9.42、8.94,脂肪族—CH伸缩振动峰面积分别为4.77、5.22、4.85、4.68、4.22、3.94,烷链—CH_(2),—CH_(3)峰面积分别为12.37、13.02、12.25、11.58、10.42、9.94,均小于原煤(分别为11.58、7.28、14.08),氧化煤较原煤与氧的结合能力减弱,而不同预氧化程度煤复燃过程自由基浓度平均增长率(分别为0.42、0.49、0.37、0.27、0.21、0.18)亦均低于原煤(0.74),氧化煤的氧化性相较原煤下降,且预氧化至90℃的煤还原性官能团数量与复燃过程自由基浓度平均增长率更接近于原煤,从而揭示了预氧化至临界温度时的煤比其他预氧化程度的煤更易复燃的内在原因。

我国金属矿山热动力灾害防治技术研究现状与展望

热动力灾害是影响金属矿山安全生产的重要因素之一,绿色、经济且高效的金属矿山热动力防治技术对于安全开采工作极为重要。为给我国金属矿山热动力灾害的科学治理提供参考依据,对金属矿山热动力灾害进行了定义和分类,分析了金属矿山热动力灾害的特性,系统阐述了目前我国金属矿山热动力灾害理论与防控技术的研究现状与进展,指出我国金属矿山热动力灾害防治技术现存问题:(1)各类热动力灾害之间的耦合孕灾机理尚不明确;(2)次生衍生灾害的临界诱发条件及防控理论研究存在不足;(3)对隐蔽灾害全方位探测的速度及精度有待提高;(4)尚未构建金属矿山热动力灾害一体化协同防治技术体系;(5)针对叠加热动力灾害与次生衍生灾害的应急救援方法不成熟;(6)缺乏对深部热动力灾害基础理论与防治技术的研究。最后对我国金属矿山热动力灾害防控技术的发展方向进行了展望,指出了我国金属矿山热动力灾害防治技术的重点研究领域:(1)金属矿山热动力灾害耦合孕灾基础理论;(2)灾害叠加效应与次生衍生灾害诱发机制;(3)金属矿山热动力灾害智能精准监测监控平台;(4)金属矿山热动力灾害“全面—高效—协同”应急管理体系;(5)深部金属矿山热动力灾害复杂致灾机制与综合防控技术。

含裂隙岩石单轴压缩数值试验研究

为探究受压岩石中裂隙数量及倾角对其力学特性的影响,以锦屏二级引水隧洞某洞段岩石的单轴受压实测资料为依据,通过模拟试验反演得到了与之对应的岩石材料模型参数,并以此为基础模拟分析了单轴受压作用下不同倾角单、双裂隙岩样的力学性能和裂纹萌生、扩展及其破坏模式.单裂隙岩样表现出以拉剪破坏为主的渐进破裂模式;由于双裂隙岩石中裂隙间相互作用的影响,其破坏模式较单裂隙岩石更为复杂,表现为拉裂破坏与压剪破坏的组合.与裂隙数量相比,倾角对岩石力学特性的影响更加显著,随倾角增大,单、双裂隙的起裂位置都逐渐由裂隙中央移至尖端,裂纹分别向上下两方向延伸;峰值强度和峰值应变变大,峰后应力“断崖式”下降幅度越大,对应的声发射事件数目也越多.相关研究可为受压裂隙岩体的研究提供参考,也为后续的相关试验与模拟研究工作做了初步探索.

新型地质力学模型相似材料制备及试验

在充分调研和试验的基础上,提出了一种以石膏为胶结材料,机油为调节材料,以精铁粉、腻子粉、石英砂为骨料的新型相似材料,简称PEIPQ材料。对该新型材料开展了正交试验,对多种材料配合比与其力学参数间的关系进行了敏感性分析和线性回归分析,提出了一种符合工程原岩相似关系的配合比。结果表明:与传统材料相比,PEIPQ材料的力学参数变化范围广,养护时间短,适用性强,价格低廉且安全无毒;石膏对抗压强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角的敏感性最高,机油次之,骨料含量的敏感性最低;用原岩的理论相似材料验证了回归方程的准确性,理论计算结果与试验结果基本一致。相关研究可为地质力学模型材料的研究和地质力学模型试验的开展提供一定的参考。

超声波平测法在混凝土盐冻损伤检测中的应用研究

为了从损伤层厚度和损伤层平均应力变化的角度研究盐冻作用下混凝土耐久性能损伤劣化规律,将同一配合比的混凝土试块在室内进行快速侵蚀冻融试验后,运用超声波平测法检测并拟合不同冻融次数混凝土的未损伤层、损伤层时-距关系曲线,进而求出混凝土损伤层厚度hf及损伤层平均应力fd,并与试块损伤的实际检测结果进行比对。研究表明:应用超声波平测法检测计算得到的hf、fd能够反映出混凝土损伤劣化程度,试件随侵蚀时间增长,hf呈现出逐渐增大,fd呈现出逐渐减小的规律性变化趋势,不同冻融介质中hf的大小关系为3%NaCl>3%NaCl+5%Na2SO4>5%Na2SO4>清水,fd的大小关系为清水>5%Na2SO4>3%NaCl+5%Na2SO4>3%NaCl,检测计算结果与试验结果相符。相关研究可为寒旱地区混凝土耐久性能损伤劣化规律研究提供有益参考。

基于灰色关联的多因素耦合作用下混凝土材料耐久性评估

为探明碳化-硫酸盐侵蚀-干湿循环等多因素耦合作用下的混凝土材料耐久性评估问题,通过开展室内加速试验,以所测混凝土试件的抗压强度、质量损失率及相对动弹性模量3个耐久性评价指标为依据,应用层次分析法与熵权法确定复合权重,构建了灰色关联理论的混凝土材料耐久性评估模型,确定了各组试件不同时段下的灰色关联度向量。研究表明:碳化-硫酸盐侵蚀-干湿循环等多因素耦合作用下不同配合比混凝土试件的关联度值均呈现先增强后下降的现象且最大值约出现在干湿循环30次处,即混凝土综合耐久性整体上呈先增强后下降趋势,与试验结果相符,验证了该方法的合理适用性,相关研究可为混凝土构件的配合比优化及耐久性评估问题提供有益参考。

基于可拓层次分析法的混凝土材料抗冻耐久性影响因素分析

针对影响混凝土材料抗冻耐久性因素的复杂性及重要度的难以确定性等特征,选取甘肃景泰川电力提灌灌区为研究区,以室内快速冻融试验为基础,基于可拓层次分析法,确定了影响混凝土材料耐久性的粉煤灰、矿粉、硫酸盐、碳化等因素重要度,并将计算结果与试验结果进行对比验证。结果表明:四个影响因素中,权重系数依次为粉煤灰(0.380)>碳化(0.341)>矿粉(0.236)>硫酸盐(0.043),即内在因素对混凝土材料耐久性的整体影响大于外在因素的整体影响;粉煤灰的添加对混凝土的抗冻有一定不利影响,矿粉的添加对混凝土的抗冻性能略有提高;碳化及硫酸盐侵蚀加速了混凝土耐久性的损失,且碳化天数越长、硫酸盐浓度越大越为不利。相关研究可为混凝土材料配合比的优化及设计提供有益参考。

基于主成分分析的土壤盐渍化特征研究--以甘肃景泰川电力提灌灌区为例

土壤盐渍化是世界性的资源和生态问题,严重制约了农业生产的可持续发展。为探明主导土壤盐渍化的特征因子,以景泰川电力提灌灌区为研究区,结合土壤性状调研、室内试验,利用相关性分析和主成分分析等方法对区域土壤盐渍化特征进行研究。结果表明:研究区土壤盐渍化类型主要以硫酸盐为主,灌区内同时存在着盐分表聚和底聚现象,且各层含盐量均具有很强的变异性;各层土壤中阳离子以Na^+为主,阴离子以SO_4^(2-)为主;土壤全盐量与Na^+、Cl^-、SO_4^(2-)均呈现出极显著正相关,相关性最强的是Na^+;SO_4^(2-)、Na^+,全盐量(TS)是表征景电灌区土壤盐渍化的主要特征因子。相关研究可为我国西北等干旱区的土地资源可持续利用提供理论依据。

早期受冻损伤混凝土应力-应变试验研究

北方地区混凝土冬季施工过程,新浇筑混凝土容易因突然降温而遭受早期损伤。为研究早期受冻对混凝土单轴受压状态下力学性能的影响,通过对不同冻结温度(-5℃、-10℃)、不同起冻时刻(1.0 h、3.5 h、8.0 h、24.0 h)养护条件下的混凝土进行单轴受压试验,获得了应力-应变全曲线,拟合得到了适用于早期受冻混凝土的单轴受压本构方程。结果表明:早期受冻后混凝土应力-应变曲线在下降段更为陡峭,延性和塑性变形能力降低;冻结温度对峰值应力和峰值应变影响不明显;随起冻时刻的延后,峰值应力先下降后上升,峰值应变先上升后下降,初凝后至终凝前受冻混凝土力学性能损伤最为严重;基于过镇海教授模型拟合得到的早期受冻后混凝土应力-应变曲线方程与试验曲线吻合较好;对早期受冻混凝土峰值应力、峰值应变及延性和塑性变形能力最不利的起冻时刻均在养护4 h前后。

早期受冻对混凝土力学性能的影响研究

秋冬季节,西北盐渍地区气温突降的情况时有发生,为探明早期受冻混凝土在冻融循环和盐离子侵蚀共同作用下的力学性能损伤规律及其机理,采用室内加速试验方法,观察了混凝土在经历4种养护龄期(1 h、3.5 h、8 h、24 h)和2种冻结温度(-5℃、-10℃)的早期受冻影响后,盐冻循环作用对混凝土试件的立方体抗压强度、相对动弹性模量、质量损失率以及损伤层厚度等指标值的影响规律,探讨了早期受冻混凝土力学性能损伤机理。结果表明:不同养护龄期的混凝土在冻融循环和盐离子侵蚀的共同作用下力学性能出现不同程度的损伤,其中,养护龄期处于初凝与终凝间的混凝土试件受早期受冻的影响最大;混凝土损伤层厚度与盐冻循环次数呈正相关关系,且损伤层厚度受冻结温度影响较小;与冻结温度相比,养护龄期对混凝土力学性能损伤的影响更大。相关研究可为相似环境下的混凝土结构优化设计与维护提供有益参考。

考虑流固耦合的泵站压力管道激振特性有限元分析

为探究大型高扬程泵站压力管道运行时高频激振的诱因和振动特性,以甘肃省景电二期总干七泵#1压力管道为研究对象,采用附加水体质量法建立基于ANSYS有限元的简化流固耦合仿真模型,对压力管道的激振特征进行数值模拟,分析不同机组启闭工况下压力管道的振动模态及位移变形规律,揭示压力管道的主要振动变形特性。结果表明,在多种运行工况下,压力管道弯管段和大小管连接段振动比较明显,且高阶模态的振型振幅高于低阶模态,不易被激振的出水管随着阶次的增高也逐渐产生振动变形。经DASP测试系统现场振动监测表明,数值模拟结果与现场测试结果吻合良好。该结论可为高扬程泵站压力管道避振、减振优化设计提供技术支撑,也为同类泵站工程的更新改造设计和安全运行提供理论依据。

早期受冻损伤对混凝土耐久性影响的试验研究

北方地区低温季节混凝土结构施工过程中容易受到温度突降的影响而导致耐久性降低,为探究混凝土早期受冻损伤后的耐久性变化及其损伤机理,通过室内模拟不同受冻时刻(养护龄期)、不同冻结温度环境,开展了混凝土早期受冻试验,对比了受冻时刻及冻结温度对混凝土后期抗压强度、相对动弹性模量、损伤层厚度的影响规律,探讨了混凝土早期受冻损伤机理,并构建了以损伤层厚度h_f为损伤变量的评价标准,结合实际损伤特点,对该损伤变量进行修正,并验证了其合理性。研究结果表明:早期受冻混凝土的损伤度为20%~30%;在初凝到终凝期间(3.5 h)受冻,混凝土损伤度最大,冻结温度越低,损伤越严重;在初凝前受冻,混凝土损伤度较小,不同冻结温度越高,损伤越严重;在终凝后受冻,混凝土损伤度最小,冻结温度对混凝土损伤影响基本相同。经修正后的h_f损伤变量能较准确地描述早期受冻环境下混凝土的损伤程度,相关研究可为在低温季节施工的混凝土建筑物的后期耐久性评价和养护提供依据。

干湿循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下水工混凝土损伤研究

硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的主要因素之一,混凝土损伤层的厚度及混凝土抗压强度作为衡量混凝土结构受侵蚀后退化的重要指标,能有效反应混凝土的损伤程度。本文主要从试验视角,采用超声波平测法和回弹法,重点研究干湿循环条件下不同浓度、种类盐溶液对水利工程混凝土表层损伤层厚度、混凝土抗压强度的影响,以期为服役在干湿循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下混凝土建筑物设计与研究提供一些参考。