高混凝土面板堆石坝接缝止水试验研究和应用

混凝土面板堆石坝是当前最有竞争力的坝型,为保障高混凝土面板堆石坝的安全,坝体和面板的应力变形性状以及接缝位移成为研究的重点之一,通过止水材料开发、接缝止水结构设计和止水结构防渗模型试验研究提出了高混凝土面板堆石坝新型止水结构,并应用于高混凝土面板堆石坝工程。在此基础上进行了高坝新型接缝止水结构力学特性试验研究,形成了试验方法,建立了高坝新型止水结构的劲度表达式,通过在某高坝工程的应用表明提出的接缝止水应力应变关系全面反映高坝新型止水结构各主要部件对于面板与趾板以及面板之间力的传递的贡献,更好地反映复杂地形地质条件下高坝设计布置的影响,具有一定的工程应用价值。

砂土应力-应变包络线的唯一性初探

土体循环加卸载外包络线是否具有唯一性在认识土体固有属性上具有重要意义。基于土样全表面变形数字图像测量系统,选用硅微粉和福建标准砂为研究对象,开展了一系列三轴剪切试验和三轴循环加卸载试验,探索等应力幅值、阶梯应力幅值和随机应力幅值循环加卸载下应力-应变外包络线与相应的单调加载应力-应变曲线的一致性。试验结果表明土样在相同密度和围压条件下,单调加载的应力-应变曲线与经历不同循环应力历程的加卸载应力-应变外包络线近似一致,提出了砂土应力-应变外包络线的唯一性;讨论了循环应力历史和应力水平对曲线回归速度的影响以及应力-应变包络线唯一性在建立轴向应变累积模型中的应用。

相变黏土心墙堆石坝结构性态与水力劈裂分析

为研究相变黏土心墙的应力、位移、渗流及水力劈裂等结构性态,采用有限差分法构建了相变黏土心墙堆石坝渗流-应力耦合分析模型,分析了相变黏土和纯黏土心墙在竣工期和蓄水期的应力、位移、渗流场分布规律及水力劈裂性态等,同时分析了相变黏土和纯黏土混合填筑心墙的可行性。结果表明:竣工期和蓄水期,相变黏土心墙堆石坝的位移、应力分布与纯黏土心墙堆石坝分布规律基本一致,但最大竖向位移略高于纯黏土心墙;相变黏土心墙的渗透系数分布与纯黏土心墙相似,但整体上大于纯黏土心墙;不同工况下,相变黏土心墙堆石坝的最小安全系数满足规范要求,但多数低于纯黏土心墙堆石坝;正常施工运行状态下,相变黏土和纯黏土心墙堆石坝均不会发生水力劈裂。在冬季负温时段采用相变黏土而非负温时段采用常规土料的混合填筑心墙方案是可行的,该方案可进一步控制相变材料用量,并解决全部采用相变黏土填筑心墙竖向位移略大的问题。

水泥基灌浆料及其混合料的单轴受压应力-应变研究

掺入30%、50%比例的Ⅲ类水泥基灌浆料制备了混合料,采用普通混凝土力学性能试验方法和工程岩体试验方法研究了Ⅲ类、Ⅳ类水泥基灌浆料及其混合料的力学性能与单轴受压应力-应变关系,建立了立方体抗压强度与轴心抗压强度转化、弹性模量、峰值应变等的计算公式,并基于过镇海模型应力-应变曲线公式,提出了适用于水泥基灌浆料及其混合料的单轴受压本构模型。结果表明:Ⅲ类水泥基灌浆料的韧性高于Ⅳ类水泥基灌浆料;随着Ⅲ类水泥基灌浆料掺量的提高,50%混合料的韧性也得到了一定的提高;过镇海模型拟合曲线与试验曲线总体上吻合较好。

基于分子动力学的硅晶圆均匀减薄磨削研究

超精密减薄磨削加工是半导体硅晶圆制造的关键工艺环节之一。然而,亚表面裂纹、残余应力和微结构的晶格畸变是减薄磨削产生的主要损伤缺陷。通过硅晶圆的减薄磨削,研究等效应变和残余应力的分布,评价磨削损伤。首先,分别建立球形和三棱锥单颗粒金刚石磨削硅晶圆的分子动力学模拟模型,应用Lammps模拟软件,设计硅晶圆转速、砂轮转速、磨削量为工艺参数,模拟硅晶圆减薄磨削。其次,获得硅晶圆表面的应变、等效应变分布数据。将磨削时硅晶格上原子发生形变相对位移值作为损伤评价目标,计算损伤值。在此基础上,在φ300 mm硅晶圆磨削后样品上的7个位置上,分别进行10 mm×10 mm×0.3 mm的取样,应用Roman光谱仪,测试、获得每个取样点处的平均残余应力。进一步,通过硅晶圆磨削的模拟和试验测试,获得了不同位置各X、Y、Z方向应变、等效应变和残余应力的分布,结果显示硅晶圆表面的等效应变相差8.1%,残余应力相差9%。最终,表明该磨削的等效应变、残余应力分布均匀,工艺参数合理、可行,可为硅晶圆的超精密、高效减薄磨削加工提供理论依据。

基于邓肯-张模型的土工膜心墙堆石坝应力应变分析

研究利用FLAC3D软件提供的二次开发平台,在VC++环境下开发了邓肯-张本构模型,并通过数值模拟三轴压缩试验验证了开发模型的准确性。在此基础上建立了某土工膜心墙堆石坝(最大坝高78 m)的三维数值计算模型,并分析了竣工期和蓄水期两种工况下的应力应变规律。研究结果表明,心墙底部与混凝土基座连接处存在应力集中现象,心墙中应力分布出现明显的拱效应,采用有效应力法判断心墙尚未达到水力劈裂发生的条件,表明心墙堆石坝在目前的工况下是稳定的。

单轴受压下钢纤维再生混凝土应力-应变曲线关系研究

为了研究单轴受压下钢纤维的掺量对再生混凝土的影响,制作了48个100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件(钢纤维体积掺量分别为0、0.6%、0.9%、1.2%,再生骨料取代率分别为0、25%、50%、100%),分析了钢纤维再生混凝土应力-应变曲线的变化趋势。结果表明:随着钢纤维掺量的增加,钢纤维再生混凝土的峰值应力、峰值应变和弹性模量逐步增加;但是,随着再生骨料取代率的增加钢纤维再生混凝土的峰值应力和弹性模量均会下降,峰值应变增加。同时基础试验数据的分析,提出钢纤维再生混凝土单轴受压下应力-应变曲线关系的模型。

用于获取延性材料力学性能的锥-小冲杆试验新方法与应用

对于均匀、各向同性、幂律硬化的金属材料,以锥形端头小冲杆对试样圆面中心法向施加压载荷,提出基于能量密度等效的,用于描述试样几何尺寸、材料本构关系参数、载荷和位移之间关系的锥-小冲杆试验(cone small punch test,C-SPT)载荷-位移模型,并提出获取材料应力-应变关系和力学性能指标的锥-小冲杆试验新方法。通过有限元分析不同弹性模量、屈服强度和硬化指数的100种预设材料进行新方法的数值验证,及对3种金属材料完成CSPT。结果表明:由新方法预测的应力-应变关系与有限元分析预设曲线和传统单轴拉伸试验结果吻合良好,此外,由新方法获得的抗拉强度与单轴拉伸试验结果误差较小。

碳纳米管改性混凝土的应力应变与动态强度研究

为深入探究碳纳米管(CNTs)对混凝土不同受力阶段的增强效果,利用100 mm直径的分离式霍普金森压杆试验,研究冲击速度、CNTs含量等因素对混凝土韧性和抗冲击性能的影响。试验结果表明:CNTs的加入对水泥基材料的冲击性能有显著的改善作用,动态抗压强度、动态强度增大因子随冲击速度的增加而呈直线上升;在同一加载程度下,随CNTs含量的增大,水泥基材料的动态抗压强度先增大后减小,最大增幅可达23.7%;在混凝土中加入适量的CNTs,能够提高混凝土的整体强度、致密性,进而提高其动态力学性能。

木质素-稻草改良土的力学特性与修正Duncan-Chang模型

木质素具有胶结土体的作用,稻草纤维也具备提高土体抗剪强度的能力,而采用木质素和稻草共同改良红黏土的研究相对较少。本文通过固结不排水三轴试验,获得了木质素-稻草改良土在不同围压和不同木质素掺量下的应力-应变曲线,并据此研究该改良土的力学特性;同时通过建立修正Duncan-Chang模型,来分析木质素掺量对模型参数的影响。研究结果表明:改良土主应力差随木质素掺量的增加先增大后减小,当木质素的掺量为0.7%时,其到达最大值;改良土初始变形模量Ei、极限偏应力(σ1-σ3)ult、黏聚力c、内摩擦角φ及参数K均随木质素掺量的增加先增大后减小,参数n随木质素掺量的增加而增大,而破坏比Rf受木质素掺量的影响较小。

基于修正固有应变法的选区激光熔化成型316L钢块体残余应力预测

选区激光熔化(SLM)制造过程中极高的温度梯度及快速熔化凝固现象会在部件中产生复杂的残余应力分布,进而导致部件的变形、开裂,以及使用中的提前失效。因此,对SLM成型零件的残余应力预测至关重要。将修正固有应变(MIS)法用于SLM成型316L钢块体的残余应力预测。首先,采用热-力顺序耦合方法建立SLM成型的详细模型,从计算结果中提取固有应变并验证其准确性;随后,基于修正固有应变法建立10 mm×10 mm×10 mm的316L钢块体模型,模型由20个元层构成,每个元层中包含数个真实物理层;最后,通过逐层激活元层,并加载固有应变来模拟选区激光熔化成型过程,得到块体的应力-应变分布。以相同的工艺参数实际打印同尺寸的316L钢块体,使用X线衍射(XRD)法对块体的残余应力进行测量。结果表明:与XRD测量数据对比,修正固有应变法能够在较短时间内有效预测SLM成型316L钢块体的残余应力。

机械式立体车库钢结构分析及优化

近年来,城市汽车保有量逐年增加,大多数城市出现停车难问题,甚至一位难求。为了缓解城市停车问题,文章提出了巷道堆垛式机械立体车库,该车库既可停放公交车也可停放小轿车。为保证设计的车库能够满足实际的工作需求,对车库的钢框架结构在ANSYS中建立立体车库的框架有限元分析模型,研究车库偏载和满载工况的力学性能,经分析当车库偏载和满载时钢结构的应力应变数值均在容许范围之内。为使设计保留一定的安全裕度,并使车库满足安全使用条件下进行轻量化设计,选取不同横截面积的H型钢并进行分析,经过分析选取合适的横截面参数,完成车库框架的结构优化,并对车库框架偏载和满载状态进行模态分析,验证框架的稳定性。优化后的车库轻量化与设计之初有了较明显的提升,质量可减轻23.78%。文章的分析可为机械式立体车库的设计和工程使用提供相应的参考数据。

刚果民主共和国利卡西黏土质砾的岩土工程特性

为获得刚果民主共和国Likasi黏土质砾的岩土工程特性,系统开展了Likasi黏土质砾物理性质指标测试、化学性质指标与矿物成分测试、击实试验、承载比试验、回弹模量试验、无侧限抗压强度试验、各向等压固结试验、固结排水剪三轴压缩试验、变水头渗透试验研究。获得了系统全面的Likasi黏土质砾物理、化学、力学特性与指标。结果表明:Likasi黏土质砾标准吸湿含水率低、级配良好、土颗粒形状大体呈次棱角状、不具膨胀性、比表面积小、阳离子交换量小,亲水性弱,具有良好的强度、刚度、渗透、压实等力学性质,可作为良好的路基填料。

插板式生态板桩墙支护效果分析

公路行业采用的边坡支护形式多样,为解决传统支护方式“小材大用”和“大材小用”的问题,同时考虑“绿色公路”的建设理念,提出了一种插板式生态板桩墙新型结构,采用密排间距的小直径圆桩,结合锚索桩顶系梁,共同组成支护体系,将传统型式的挡土板改为斜插板,在插板上填土作为垂直绿化空间,斜插板不承受墙后推力。以实际工程为依托,设计了4种标准工况,采用数值模拟方法,对比分析了各工况下板桩墙的应力应变特征。得出结论:采用12 m悬臂型式,设置1道锚索,锚索拉力600 kN时,适用岩土推力690 kN/m的路堑工程;采用15 m悬臂型式,设置2道锚索,锚索拉力各600 kN时,适用岩土推力1150 kN/m的路堑工程。

冻融循环作用下钢纤维混凝土的抗冲击性能试验研究

采用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)开展了冻融循环作用下钢纤维混凝土(SFRC)的动态受压力学性能试验,研究了冻融循环次数(0~100次)和钢纤维掺量(0、1%、2%、3%)对SFRC动态受压力学性能的影响。结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件的动态抗压强度基本呈减小趋势,峰值应变增大;随着钢纤维掺量的增加,试件的动态抗压强度先增大后减小,峰值应变基本呈增大趋势,建议钢纤维最佳掺量为2%。

构造应力化学——慢地震震源机制解的一种可能途径

慢地震震源机制研究主要建立在脆性变形基础上。然而高纵、横波速度比、异常高泊松比等特征表明其震源区物质黏度较大,更易发生塑性变形。固体力学研究认为塑性变形的起点是位错,塑性应变能无法释放。分子尺度上,原子通过化学键结合形成矿物结构。应力化学研究显示机械力可以直接作用于化学键,化学键断裂时体系位于能量高位。塑性变形的位错机制可能始于化学键的变化,再通过断裂、重组,形成亚颗粒、细粒化,能量的转化过程可能是机械能首先转化为体系内能,即原子势能;随着加载继续,原子势能突破化学键的束缚,转化为塑性应变能。化学键的重建会释放能量,塑性变形过程中可能会释放一部分化学能,这是否与慢地震有关,是个值得探索的科学问题。

鄂尔多斯块体及其周缘现今地壳水平形变特征及应力应变耦合关系

针对鄂尔多斯块体地壳变形性质量化研究不足和应力应变耦合关系尚不明确的问题,采用球坐标最小二乘配置模型解算研究区域地壳的特征应变场,利用震源机制解数据反演区域地壳的主应力分布。结果显示,地壳变形主要集中在板块边界带和断陷盆地内,鄂尔多斯块体内部的地壳形变较小。其中,青藏高原东北缘与阿拉善块体的交界处地壳变形尤其剧烈,表现为沿板块边界的强压缩变形,主要变形机制为NW-SE向压缩与NE-SW向弱拉张共存,最大主压应变率超过0.05μstrain。研究区域地壳处于较为统一的张应力环境,最大主应力方向接近水平并指向SEE向,与对应区域的主张应变方向吻合,最小主应力方向更接近主压应变方向。

预制裂隙玄武岩纤维混凝土三轴力学性能试验研究

采用三轴加载装置对预制裂隙玄武岩纤维混凝土开展了不同围压下的压缩试验,并分析预制裂隙角度、玄武岩纤维掺量及围压对试件峰值应力、黏聚力、弹性模量及体积应变的影响规律。结果表明:1)当围压及纤维掺量一定时,试件峰值应力和极限应变承载能力μ随着裂隙角度的增加均先降低后增加,其中,角度为0时影响最小;30°~45°左右时影响最明显;2)试件的峰值应力与围压呈线性正相关;3)纤维掺量的增加使试件峰值应力、弹性模量均先增大后降低,其较优的掺量为0.2%;4)围压越大试件体积应变越低,且不同预制裂隙角度的试件其极限应变承载能力均随着围压的增大而降低。

土工格栅加筋粉煤灰改良黄土力学特性研究

随着西部黄土地区城镇化进程的加快,填挖结合的新增用地方式要求地基处理技术需要重点解决填方区的强度与变形问题。论文将粉煤灰作为改性填料对黄土进行改良,通过直剪试验、三轴试验、湿陷试验与扫描电镜试验,分析不同粉煤灰掺入比条件下加筋与未加筋黄土试样的强度变化规律、宏观破坏特征和微结构特征。结果表明:采用粉煤灰改良和土工格栅加筋后,黄土的最优含水率增大,最大干密度降低。当粉煤灰掺入比λ=20%时,加筋改良效果最好,黄土的峰值强度、残余强度和等效内摩擦角均有大幅提高,侧向变形显著减小,且能有效降低其湿陷性。微结构分析表明:粉煤灰对黄土的改良主要体现在颗粒直接填充和化学结晶体交织成的网状填充两种类型的强化作用,改良后黄土的孔隙率与孔隙尺寸均有所下降。研究结果可为黄土地区填方边坡与填方路基的改良加固提供参考。

再生粗骨料混凝土应力-应变关系

再生粗骨料混凝土应力-应变关系是实现其材料到结构力学分析的桥梁纽带,成为再生粗骨料混凝土结构基础理论的基石。介绍了作者团队多年来在再生粗骨料混凝土应力-应变关系方面取得的研究进展:采用模型化再生粗骨料方法,研究了复杂界面过渡区对再生粗骨料混凝土破坏行为的影响,揭示了再生粗骨料混凝土细观损伤本质与演化机理;从静力作用到动力作用,系统地开展了不同工况下再生粗骨料混凝土应力-应变行为试验研究,探明了载荷条件对再生粗骨料混凝土应力与变形的影响规律并建立了相适应的力学与数学模型;进一步考虑再生粗骨料性能时空变异性,发现了再生粗骨料混凝土力学响应的概率分布特征,提出了再生粗骨料混凝土随机损伤本构关系;基于获得的本构模型,完成了再生粗骨料混凝土构件时变可靠度分析和结构动力非线性分析,为再生粗骨料混凝土在实际工程中的安全应用提供了理论支撑;提炼了相关研究结论并对未来研究工作进行了展望。