滑面极径-应力-强度耦合关联下非线性破坏特征边坡稳定性极限平衡分析方法

非线性强度准则下边坡破坏模式、滑面应力以及岩土剪切强度参数存在耦合关联,从而加大了边坡稳定性分析与最可能破坏模式揭示的难度。为此,以滑面应力计算模式代替条块划分下条间力假设模式,并嵌入非线性Mohr-Coulomb(简称M-C)强度准则以及引入滑面端部应力约束条件。在此基础上,结合滑体整体力学平衡条件,建立滑面应力计算模式下非线性破坏特征边坡稳定性极限平衡解答。与此同时,依据现有滑面模型,将滑面概化为旋转中心点下极径与极角所表征的曲线,以此构建通用型滑面生成模型。进一步,针对分层边坡,提出合理的“应力连续+最不利剪切方向”层间滑面连接模式。随后,采取滑面极径-应力-强度联合迭代法,整合滑面应力计算模式下边坡稳定性极限平衡解答与通用滑面生成模型,实现非线性强度准则下边坡稳定性有效分析与最可能失效模式可靠揭示。通过多个边坡算例对比分析,此方法的可行性得以验证,而且当前研究工作将有利于进一步探明非线性强度准则下边坡破坏机制。

黏土的张拉-剪切耦合强度研究

现有的土体强度研究主要集中在土体受到压缩剪切作用,而针对单轴拉伸、拉剪耦合或多向拉伸作用的研究较少。当前土的联合强度理论仍建立在土体受压缩剪切作用的基础上,不适用于分析土的抗拉强度和拉剪耦合强度。针对饱和黏土中的拉剪联合作用,建立了饱和黏土的张拉-剪切耦合强度模型,给出了饱和黏土张拉-剪切耦合强度公式以及多向拉伸作用下的强度公式;基于已有的饱和黏土试验数据以及所做的饱和黏土室内试验数据对所建立的强度模型预测能力进行了验证,并与其他联合强度模型进行对比分析,检验了强度模型的适用性和准确性;强度模型全面、合理地描述了饱和黏土的压剪强度、张拉-剪切耦合强度及多向拉伸强度特征,为饱和黏土张拉-剪切耦合问题的解决奠定了理论基础。

非饱和黏土的张拉-剪切耦合强度研究

非饱和黏土中液相与固相基质间的相互作用,依据其形成机理的不同可分为毛细作用和物理-化学作用,目前建立的非饱和土强度模型多是基于毛细机理建立的,忽略了后者对土体强度的贡献。现有非饱和土强度理论仍建立在土体受压缩剪切作用的基础上,不适用于分析土的抗拉强度和拉剪耦合强度。为了能够全面地、合理地描述非饱和黏土的强度作用机制,建立了一个适用于非饱和黏土的二元介质压剪强度模型,将非饱和黏土抽象为理想毛细部分和理想吸附由两个理想部分组成,针对两者分别建立了理想强度公式,利用参与函数反映土中两种理想部分所占的比重,描述实际情况下土体的强度特征。在压剪强度模型的基础上,通过考虑非饱和黏土中的拉剪联合作用,建立了非饱和黏土的张拉-剪切耦合强度模型,给出了张拉-剪切耦合强度公式。利用强度模型对非饱和黏土的压剪强度及张拉-剪切耦合强度进行预测,预测结果和已有试验数据的对比结果表明所建模型能够较好地描述非饱和黏土的强度特征。

一种新的软-硬节理峰值剪切强度模型

岩体中常存在强度不同的界面,其剪切强度影响岩体稳定,剪切强度的评估较为重要。利用3D技术打印的树脂节理板,浇注含不同粗糙度软-硬节理的不同强度水泥砂浆试样,在常法向应力下进行直剪试验和数值模拟研究,得到的剪切应力-位移的试验曲线与模拟曲线相一致。基于试验结果,引入比例系数T表征软-硬节理的组合壁面强度CCS,引入影响因子μ描述节理粗糙系数JRC、节理壁面强度JCS和法向应力σ_(n)对软-硬节理峰值剪切强度τ_(p)的综合影响效果,利用数值分析方法推导出一种估算软-硬节理峰值剪切强度的模型。试验发现:软-硬节理的残余剪切强度τr主要由JCS较低侧控制,且这种控制作用随JRC增大而增强;CCS值小的剪切应力-位移曲线率先达到峰值和进入残余阶段。研究表明:软-硬节理峰值剪切强度模型综合了JRC、JCS和σ_(n)对节理τ_(p)的影响机制,可用来评估粗糙软-硬节理的峰值剪切强度。

地震下RC空心墩弯-剪数值模型及混合试验验证

地震作用下钢筋混凝土空心截面中高桥墩多发生弯剪破坏,而其弯剪耦合反应的数值模拟方法尚不完善。针对当前弯剪串联模型中的剪切模型未考虑空心截面特征的问题,提出基于关键参数的剪切模型修正方法,并通过混合试验进行验证。分别从桥墩的剪跨比、混凝土开裂后剪切刚度、等效截面面积、桥墩有效高度与墩身混凝土斜裂缝倾角等参数入手,提出剪切模型关键参数的修正方法;基于修正的开裂剪切强度、开裂剪切位移、剪切极限承载力及其对应的剪切位移与剪切破坏位移,提出适用于空心桥墩剪切性能模拟的三折线型骨架曲线建立方法;通过组合剪切模型与基于纤维单元的弯曲模型,建立空心墩弯剪耦合反应的数值模型;与一座空心高墩桥混合试验结果对比,其桥墩子结构的物理试验结果验证了数值模拟方法。分析表明:通过本文所提数值模拟方法得到的空心桥墩弯剪滞回曲线与真实地震加载路径下的试验曲线匹配良好,能够模拟空心墩在真实地震作用下的弯剪滞回行为。

黏土在低应力条件下张拉-剪切耦合强度研究

工程中经常遇到黏土承受拉应力的情况,如接近失稳破坏的边坡表层、承压水作用下的隔水层表层等,但在系统分析低应力条件下土体既有强度理论可知,既有强度理论都存在不足。为了解决黏土在低应力条件下的强度理论问题,根据既有的土体三轴拉伸试验成果及受力特性,认为土体在低应力状态下的破坏为拉应力和剪应力共同作用下的张拉-剪切复合破坏。在此基础上,推导了利用土体常规剪切强度指标(C和φ)和单轴抗拉强度(σ_(t))来确定张拉-剪切强度指标(σL和φL)的公式。最后,结合上海④层淤泥质黏土的特性,利用自行设计的挤出拉伸试验装置,得到了其在特定条件下的张拉-剪切强度指标,可为类似工程提供借鉴。

同时考虑张拉-剪切破坏的边坡稳定性分析

针对目前边坡稳定性分析的强度折减法中广泛采用的Mohr-Coulomb准则仅考虑剪切破坏会过高估计边坡土体的抗拉强度,与实际工程中常见的位于坡体后缘的拉裂缝不符的问题,引入土体的张拉-剪切复合屈服准则,分别采用Mohr-Coulomb准则、Rankine准则考虑剪切、张拉作用的影响;根据张拉-剪切复合屈服准则的非光滑性,通过将非光滑屈服面的塑性本构积分简化为混合互补问题,提出用于弹塑性本构积分的投影收缩算法。结果表明:在分析边坡的稳定性时,不考虑张拉破坏会过高估计边坡的安全性并且安全系数的差值随着坡角的增大而逐渐增大,最大差值达到20%;对于含软弱夹层的分层边坡,即使边坡的坡角较小,是否考虑张拉破坏的边坡后缘的破坏特征仍存在显著区别。

高应力和高渗压下饱和完整砂岩三轴剪切-渗流耦合特性试验研究

为研究高地应力和高水头压力下完整岩石的三轴剪切力学特性和渗透特性,更加真实地揭示三维压剪应力状态下重大岩石边坡在剪切-渗流耦合作用下的损伤破坏机制,采用Rock Top多场耦合试验仪,对饱和完整砂岩进行五组不同法向应力和渗压下的三轴剪切-渗流耦合试验,获得相应的三轴剪应力-应变-表观渗透率曲线和含有原岩屑的剪切单节理裂隙面,并开展单节理裂隙渗透试验。分析不同法向应力和渗压双因素耦合作用下岩石剪切破坏裂隙面的形貌特征,探究饱和砂岩的剪切强度和表观渗透率随法向应力、渗压的演变规律,探讨单裂隙砂岩的表观渗透率在剪应力逐渐减小过程中随渗压的演化特征。研究结果表明:1)剪切-渗流耦合作用下饱和砂岩表观渗透率表现出先减小后增大并逐渐趋于稳定的变化规律;2)剪切-渗流耦合下饱和砂岩剪切峰值强度和残余强度随着法向应力增大而增大,随着渗压的增大呈线性减小,并且在剪切过程中表观渗透率曲线渗流峰值滞后于剪切峰值强度;3)在剪应力缓慢降低过程中,单节理裂隙面的开度先降低后增大,其表观渗透率和渗流量呈现出先减小后增大的变化规律;4)采用Forchheimer方程拟合获得剪应力、渗压和法向应力作用下,贯穿单裂隙面的渗流量与渗压的关系式。

土-结构接触面剪切试验与应力-位移模型

为研究土-结构接触面的力学特性,进行了4个不同含水率的土-结构接触面改进直剪试验,并结合数学特征对接触面的应力-位移模型进行研究。试验结果表明:①土-岩石接触面、土体内部的抗剪强度均随含水率的增大而减小,而土-砖接触面的抗剪强度随含水率增大基本上先增大后减小;②土-岩石接触面的抗剪强度总小于土体内部抗剪强度;③土-砖接触面的抗剪强度与土体内部抗剪强度的大小关系随含水率增大而变化。提出了一个新的接触面应力-位移复合指数模型,新模型对硬化型和软化型曲线都适用,克服了传统模型的缺陷。对比分析表明,新模型拟合结果与实测数据吻合良好。

高频振动下散粒体-结构界面临界状态强度特征试验研究

高铁桥梁、路基工程中的桩基础持续承受列车运行引发的振动荷载,当前350 km/h车速下的车致振动已高达近40 Hz。随着车速的进一步提升,可能给桩基础承载性能带来不利影响。桩-土界面是桩和地基土之间力和变形传递的重要媒介,很大程度上决定着桩基础的长期服役性能。但目前对于高频振动荷载下桩-土界面相互作用行为的认识和研究均不足。基于自主研制的可实现土-结构界面高频振动耦合静力剪切的试验装置,研究了散粒体-结构界面在振动下的临界状态强度特征,探讨了振动加速度、法向应力、结构面粗糙度、颗粒形状和振动频率的影响。结果表明:振动会导致界面强度衰减,部分振动条件下的界面强度甚至低于静力条件下的0.5倍;振动下的界面强度随振动加速度、频率的增大而下降,随法向应力的增大而提高。最后,基于摩尔-库仑强度理论,建立了振动下的散粒体-结构界面强度准则。

考虑电压动态的电力系统频率强度量化方法

现有电力系统频率强度量化方法通常假设各节点电压幅值恒定。然而,频率扰动过程中各节点电压幅值并非恒定,且可能通过影响负荷等途径而作用于系统频率,故电压恒定的假设可能导致量化结果不准确,甚至出现错误的结论。为此,提出了一种考虑电压动态的电力系统频率强度量化方法。首先,建立了考虑电压动态的系统频率响应模型。其中,电压动态对系统频率的影响通过一个全局耦合项表征,并揭示了电压和频率的交互作用路径。基于此,分析了多种考虑电压动态的设备及负荷对系统频率的影响,包括采用混合同步控制的构网型变流器、附加频率或电压外环的跟网型变流器,以及考虑电压特性的恒阻抗-恒电流-恒功率(ZIP)静态负荷和异步电机负荷等。然后,通过将电压耦合项分区解耦并进行统一简化建模,量化分析了系统各区域的频率支撑能力以及整个系统的频率强度。最后,通过仿真验证了所提频率强度量化方法的有效性。

剪切速率对黄土力学性质及邓肯-张模型参数的影响

为探究加载速率对原状黄土强度和变形特性及其邓肯-张模型参数的影响,采用SLB-1型三轴剪切渗透试验仪,开展原状黄土在不同围压和剪切速率下的不固结不排水三轴剪切试验,并通过微观试验验证其宏观力学性质。结果表明:在试验参数设定范围内,剪切速率对原状黄土的力学性能有显著影响,不同剪切速率下原状黄土的偏应力-应变关系基本符合双曲线关系;初始变形模量随围压的增大而增大,随剪切速率的增大呈现先增大后减小的规律,原状黄土的黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比R_(f)和破坏强度与剪切速率之间存在明显的临界剪切速率转折点1.7 mm/min,此时各参数均达到最大值,无因次指数n无明显规律可循;当剪切速率小于此临界值时,黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比R_(f)和破坏强度随着剪切速率的增大而增大,当超过剪切速率临界值时又有一定程度的降低,总体上呈现先增大后减小的规律,而内摩擦角随着剪切速率的增大而逐渐增大且增大幅度甚微;试样的偏应力-应变曲线无明显的峰值点,呈应变硬化型;通过拟合曲线,得到了原状黄土试样的抗剪强度指标和破坏强度与不同剪切速率之间的拟合公式,以期更好地研究剪切速率的变化对西宁原状黄土力学性能的影响。

拉伸-剪切耦合层合板优化设计及其应用

针对标准铺层拉伸-剪切耦合层合板耦合效应弱的缺点,提出利用优化法的自由铺层拉伸-剪切耦合层合板的设计方法。推导了只具有拉伸-剪切耦合效应的层合板应满足的条件。优化得到了7-14层的自由铺层拉伸-剪切耦合对称层合板。对比分析了自由与标准铺层拉伸-剪切耦合层合板的屈曲强度与稳定性。采用自由铺层拉伸-剪切耦合层合板设计了拉伸-扭转耦合结构。研究表明：自由铺层的拉伸-剪切耦合层合板的屈曲强度以及稳定性要显著弱于标准铺层层合板,但具有更强的耦合效应;随着层数的增加,自由铺层的拉伸-剪切耦合层合板的最大耦合效应逐渐减小。

人工冻结淤泥质粉质黏土三轴剪切强度及本构模型研究

通过三轴剪切试验,研究不同围压和不同温度对福州地铁冻结淤泥质粉质黏土力学特性的影响,基于邓肯-张模型建立考虑围压和温度影响的冻结淤泥质粉质黏土本构模型,分析模型参数与围压和温度的关系,并对冻结淤泥质粉质黏土的破坏比进行测算。结果表明,不同围压和不同温度条件下,冻结淤泥质粉质黏土的应力-应变曲线均呈应变硬化型,主应力差最大值与围压呈正相关,与温度呈负相关;模型参数与围压呈负相关,与温度呈正相关,且线性关系在95%的水平下显著成立;冻结淤泥质粉质黏土的破坏比在0.83~0.91之间,均值为0.86。

双向耦合剪切条件下饱和松砂的液化特性试验研究

为了模拟海床及海洋建筑物遭受波浪荷载时所引起的循环应力,进行了一系列均等固结条件下的应力控制式轴向–扭转双向耦合循环剪切试验。加载路径在σd/2-τ应力空间内为椭圆。试验在保证椭圆面积不变的情况下,分别变化竖向和扭转向的荷载分量幅值,以此来探讨双向耦合剪切试验中各个分量的变化对饱和松砂的循环强度特性的影响。试验结果表明砂土在双向耦合荷载作用下,其液化强度与加载椭圆路径的面积和两个荷载分量比值密切相关。当轴向应力与剪应力幅值的比值保持不变时,砂土液化强度随着椭圆面积的增大而降低。而在椭圆面积保持不变时,当竖向与扭转向荷载分量的比值小于某一临界值0.6～0.75时,砂土液化强度随着比值的增加而增大,当竖向与扭转向荷载分量的比值大于某一临界值0.6～0.75时,砂土的液化强度随着比值的增加而减小,在临界值0.6～0.75之间表现出最高的强度。另外,在一个周期内孔隙水压力的循环变化与轴向应力相位一致,与循环剪应力相位相差90。

堆石料的剪切强度与应力–应变特性

通过对堆石料的大型三轴剪切试验结果进行分析,揭示了堆石料的强度及应力–应变的变化规律,堆石料的强度包络线呈非线性,应力–应变曲线多呈现软化型或弱硬化型。并对邓肯模型的修正及其模型参数试验值的变化规律进行了讨论。

冻融-碳化耦合作用下矿渣-粉煤灰再生混凝土试验研究

通过在含有100%再生粗骨料的混凝土中同时掺入20%的矿渣和0%,15%,30%掺量的粉煤灰,并进行碳化、冻融和冻融-碳化耦合试验,研究冻融和碳化环境对再生混凝土耐久性的影响,对比分析试件抗压强度、质量损失率、相对动弹性模量、碳化深度的变化规律,建立冻融-碳化耦合作用下矿渣-粉煤灰再生混凝土抗压强度模型。结果表明:粉煤灰掺量为15%时,再生混凝土的抗冻性能最好,当冻融次数大于100次后,粉煤灰对再生混凝土抗冻性能的促进作用开始减弱;粉煤灰掺量越多,再生混凝土的抗碳化性能越弱,当粉煤灰掺量为30%时,其碳化深度是粉煤灰掺量为0试件的2倍以上;在冻融-碳化耦合环境中,冻融作用促进了碳化深度的增长,碳化作用加剧了矿渣-粉煤灰再生混凝土的冻融破坏;建立的矿渣-粉煤灰再生混凝土冻融-碳化耦合抗压强度模型能较好地反应冻融-碳化耦合环境下的抗压强度退化规律。

张拉条件下锚固剂-围岩界面剪应力分布规律研究

为研究锚固剂-围岩界面剪应力分布规律,基于锚杆、锚固剂复合体与围岩孔壁间三阶段线性函数剪切滑移模型,采用载荷传递法开展理论分析,推导出弹性阶段锚固剂-围岩界面剪应力分布公式。结果表明,张拉承载条件下界面剪应力极大值出现在锚固段外端口且沿锚固长度方向呈单调递减规律分布。当锚固段长度较小时(≤0.3 m),界面剪应力可近似认为是均匀分布的。随着锚固长度的增加,锚固段外端口最大剪应力值逐渐降低,界面剪应力分布不均匀程度增加。适当增加锚固长度可以整体降低锚固段界面剪应力大小,一定程度避免锚固始端界面剪应力达到抗剪强度而发生滑移滑脱失效。采用FLAC3D软件开展锚杆、锚固剂实体单元数值计算,验证了锚固剂-围岩界面剪应力沿锚固长度呈递减分布的规律,发现剪应力在锚固段始端前1/3位置递减明显。

3T1R解耦并联机构动力学与惯量耦合特性分析

对一种3T1R解耦并联机构的动力学性能及其惯量耦合强度进行了分析。对机构进行运动学分析,给出了机构的位置正反解方程,得到动平台的雅可比矩阵,推导了机构各构件的速度、加速度;基于牛顿-欧拉法,考虑构件重力以及外负载,建立了机构逆向动力学模型,并用ADAMS软件进行了仿真验证;基于所建的逆向动力学模型,分析了加速度和动平台姿态角对支链驱动力的影响;基于关节空间的惯量矩阵,建立了惯量耦合强度评价指标,分析了其在工作空间内的分布规律,并与降耦前Quadrupteron机构的惯量耦合强度进行了对比分析。结果表明,结构降耦不仅降低了支链间的耦合强度,而且整个工作空间内惯量耦合强度的分布更为一致,提升了机构动态性能的各向同性。

浮置板剪力铰对列车-轨道耦合系统动力学行为的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立了考虑浮置板剪力铰连接作用下的列车-钢弹簧浮置板轨道空间耦合动力学模型。将浮置板视为弹性薄板,同时考虑剪力铰对浮置板的横向与垂向约束作用,分析了直线和曲线线路条件下剪力铰对列车-轨道耦合系统动力学行为的影响。结果表明:浮置板剪力铰能明显改善轮轨动力相互作用,缓解列车通过浮置板接缝时轮轨横向力和垂向力产生的冲击;浮置板剪力铰对减小地铁列车的振动也有一定的改善作用,其对轮对振动的影响最大,对构架振动的影响次之,对车体振动的影响最小;地铁列车通过直线线路时,浮置板剪力铰对板端扣件受力的改善作用明显;地铁列车通过曲线线路时,剪力铰对浮置板的横向位移、水平面内转动角和钢弹簧横向力的改善作用比较明显,对扣件横向力影响较小。