考虑局部损伤区变化的能量平衡尺寸效应模型

尽管研究者已经提出各种各样的尺寸效应模型,但是建立能描述不同类型尺寸效应规律的模型依旧是力学和材料学中最具挑战性的问题之一.首先通过系统深入分析局部损伤区(localized damage zone,LDZ)随试件尺寸的变化规律,提出能够准确地描述LDZ非线性尺寸效应的理论模型并验证.在此基础上,建立考虑LDZ随尺寸变化的能量平衡尺寸效应模型.考虑LDZ变化的能量平衡尺寸效应模型能体现5种不同类型的尺寸效应规律.随着尺寸增大,类型1:名义抗压强度逐渐减小,最终趋于单轴压缩弹性极限;类型2:名义抗压强度先在一定尺寸范围内为真实抗压强度,然后逐渐减小,最终趋于单轴压缩弹性极限;类型3:名义抗压强度先增加,然后逐渐减小,最终趋于单轴压缩弹性极限;类型4:名义抗压强度先逐渐增加到真实抗压强度,然后在一定尺寸范围恒为真实抗压强度,再逐渐减小,最终趋于单轴压缩弹性极限;类型5:名义抗压强度不随尺寸变化.文章模型首次理论预测类型4尺寸效应存在,并证实微纳尺度钛合金尺寸效应试验中存在这一规律.对考虑LDZ变化的能量平衡尺寸效应模型分析表明:LDZ尺寸与试件尺寸相对变化率之间的竞争是本文尺寸效应模型能体现5种类型的尺寸效应的原因.由于笔者先前已经证明能量平衡尺寸效应模型能很好预测类型1,2和5尺寸效应,但其不能体现类型3和4尺寸效应.因此,文章应用考虑LDZ变化的能量平衡尺寸效应模型和IUSEL(improved unified size-effect law)预测类型3和4尺寸效应试验数据,结果表明:考虑LDZ变化的能量平衡尺寸效应模型能很好预测各种材料类型3和4尺寸效应试验数据变化规律,而IUSEL不能描述类型4尺寸效应数据变化规律.考虑LDZ变化的能量平衡尺寸效应模型和IUSEL预测所有尺寸效应数据的总平均确定系数接近.

深部硬岩开挖损伤区时效行为的中间主应力效应研究

为探究中间主应力对深部硬岩开挖损伤区时效行为的影响,基于Perzyna弹粘塑性理论和应变能理论及考虑中间主应力的三维屈服准则,建立了硬岩蠕变全过程的粘塑性损伤耦合本构模型,并将其嵌入到工程岩体破裂过程分析软件(CASRock)中,通过比较模拟结果与试验结果,验证了模型和程序的有效性。进一步模拟了锦屏地下实验室二期工程#1实验室的时效行为,并探究了不同中间主应力作用下硬岩开挖损伤区的时效破裂过程,发现硬岩的时效破裂行为表现出明显的中间主应力区间效应;通过总粘塑性应变与中间主应力的等时曲线簇发现中间主应力的区间效应受时间影响;开挖损伤区的存在能促进其内部围岩时效破裂发展,从而扩大塑性区的范围。

考虑桩基条件下的垃圾池底板结构损伤区及渗流场分析

进行二次程序开发,实现了基于渗流-损伤耦合情况下的渗流场分析。使用ABAQUS程序建立了含复杂桩基区域的垃圾池地板大体积混凝土模型,进行了渗流场仿真分析,得出了该区域的易渗易损位置。在易渗易损位置引入功能梯度混凝土设计思路,针对高抗渗保护层进行了设计,实现在轻微增加人力和经济成本的前提下,提高了垃圾池的抗渗性,延长了垃圾池的使用寿命。

弥散加权成像／灌注加权成像对兔急性脑梗塞可逆性损伤区和不可逆性损伤区的界定及其演变规律

[目的]对急性脑梗塞可逆性损伤区(RDR)和不可逆性损伤区(IDR)进行界定并观察其演变规律,为超急性期溶栓治疗的必要性及时间窗提供影像学依据。[方法]健康家兔40只,其中35只行大脑中动脉闭塞(MCAO)术,术后按O.5、1、3、6、9、12和48 h时间点分组,每组5只;另外5只仅暴露大脑中动脉,而不灼断,作为对照组。所有动物行T_2加权成像(T_2wI)、弥散加权成像(DWI)及灌注加权成像(PWI)检查,检查完毕后将兔处死,立即取脑行TTC染色。磁共振成像(MRI)检查采用GE signa Highspeed MR/i 1.5T超导MRI仪,对比剂使用Gd-DTPA。资料处理使用Functool 2000软件包,统计分析使用配对t检验。[结果] DwI在缺血0.5 h显示确切的梗塞灶,PWI在缺血0.5 h显示整个梗塞区范围,T_2wI在缺血3 h后才能显示病灶。在缺血0.5-9 h,IDR进行性扩大,RDR进行性缩小。TTC染色所界定的不可逆性损伤区(IDR')和可逆性损伤区(RDR')与DWI/PWI所界定的IDR和RDR比较,除0.5 h外,其余各时间点无显著性差异(P> O.05)。[结论]RDR存在的时间约9 h,DWI/PWI是界定脑梗塞IDR和RDR的可靠检查方法。

兔急性脑梗塞可逆/不可逆性损伤区的ADC演变规律研究

【目的】观察急性脑梗塞可逆（RDR）／不可逆性损伤区（IDR）的表观弥散系数（ADC）演变规律，探讨ADC界定RDR／IDR的价值。【方法】健康家兔40只，其中35只行大脑中动脉闭塞（MCAO）术，术后按0．5、1、3、6、9、12和24h时间点分组，每组5只；对照组5只。使用GE signa Highspeed MR/i 1．5T超导MRI仪，完成弥散加权成像及灌注加权成像检查，测定可逆损伤区（RDR）、不可逆性损伤区（IDR）及其镜像区的ADC及相对表观弥散系数（rADC）值。统计分析使用配对t检验。【结果】在MCAO后0．5—24h，IDR的ADC及rADC值均低于镜像区（P〈0．05）；在0．5-3h，IDR的ADC及rADC下降明显；在6—12h，保持较恒定的状态；24h时，出现升高。RDR镜像区的ADC及rADC值，在MCAO后0．5—3h，与镜像区相比无显著性差异（P〉0．05）。在6—9h，RDR的ADC及rADC值低于其镜像区（P〈0．05）。在MCAO后各时间点，IDR的ADC及rADC与RDR比较均有显著性差异（P〈0．01）。【结论】ADC及rADC可作为判断梗塞区脑组织存活状态的可靠指标。

兔急性脑梗死可逆/不可逆性损伤区的相对脑血流容积

【目的】观察急性脑梗死可逆/不可逆性损伤区(RDR/IDR)的相对脑血流容积(rCBV)及其演变规律,探讨rCBV界定RDR/IDR的价值。【方法】健康家兔40只,其中35只行大脑中动脉闭塞(MCAO)术,术后按0.5、1、3、6、9、12和24h时间点分组,每组5只;对照组5只。使用GEsigna Highspeed MR/i1.5T超导MRI仪,完成弥散加权成像及灌注加权成像检查,测定RDR、IDR及其镜像区的rCBV及RDR、IDR的局部相对脑血流容积(rrCBV)值。统计分析使用配对t检验。【结果】在MCAO后0.5～24h,IDR的rCBV值均低于镜像区(p<0.05);RDR的rCBV值,在MCAO后0.5～9h,与镜像区相比有显著性差异(P>0.05)。在MCAO后各时间点,IDR的rrCBV及与RDR比较均有显著性差异(P<0.01)。【结论】rCBV及rrCBV的定量检测可作为界定急性脑梗塞IDR和RDR的可靠指标。

深部岩体开挖方式对损伤区影响的试验研究

深埋隧洞开挖过程中,钻爆法和TBM开挖所对应的不同围岩应力调整路径对开挖损伤区的形成有重要影响,但这一影响尚未引起足够的重视。依托锦屏二级水电站深埋隧洞群的开挖,通过损伤区原位检测试验对比分析2种不同开挖方式下围岩损伤区的特性及形成原因;作为现场试验的补充,在考虑锦屏大理岩基本力学特性和应力瞬态调整效应的基础上,采用数值方法比较应力瞬态和准静态调整所分别形成的开挖损伤区大小。试验结果表明,锦屏二级引水隧洞钻爆开挖的洞段,内损伤区(即严重损伤区)深度可以占到总损伤区深度的50%以上,岩体基本失去承载力。另外,此区域在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一;而TBM开挖洞段,内损伤区深度约占总损伤区深度的30%,该区域的形成可能更多地受到锦屏大理岩强度时间效应的影响,是表面应力松弛破坏逐渐发展的结果;考虑锦屏大理岩脆-延-塑性转换特性和应力瞬态调整效应后,可以利用数值计算方法较为客观地估计不同开挖应力路径下围岩开挖损伤区的范围。研究结论对深埋隧洞开挖方式选择及支护策略制定具有借鉴意义。

深埋隧洞TBM开挖损伤区形成与演化过程的数字钻孔摄像观测与分析

以锦屏II级水电站3#引水隧洞为研究对象,通过事先开挖的平行于引水隧洞的2-1#试验支洞,利用数字钻孔摄像技术,对TBM掘进过程中围岩的开挖损伤区进行原位测试。基于对一系列不同时段的360°钻孔全景数字图像的综合分析,给出岩体的结构特性,得到隧洞开挖全过程中围岩裂隙的产生、发展和闭合的演化过程,分析该施工条件下的开挖损伤区范围、裂隙演化与TBM施工的关系,并探讨开挖损伤区的形成和演化机制。研究成果为现场支护设计、支护时机、围岩变形特性和地质资料分析提供直接依据。

锦屏二级水电站深埋隧洞开挖损伤区特征分析

在高应力条件下,岩体强度和应力之间的尖锐矛盾将导致围岩出现损伤,损伤是不同应力条件下围岩状态的直接体现。利用声波检测和钻孔电视对锦屏二级深埋引水隧洞的一典型断面进行全断面测试,声波测试结果显示,断面上低波速带断面形态呈不对称状,与断面应力分布也并不完全对应。在每个声波钻孔中补充钻孔电视,对破裂发育深度和围岩内部实际构造特征有了更直观的认识。为对损伤区特性进行更加准确的描述,利用FLAC3D计算在洞周不同位置处关键点的应力路径,对关键点的应力状态进行分析。在UDEC泰森多边形离散的基础上增加对于节理的描述,分析节理对损伤区分布的影响,模拟结果表明,节理的存在改变了隧洞开挖后洞周的应力分布,从而导致围岩破损和破坏区域的差异。最后,借助于颗粒流程序PFC对隧洞开挖后围岩的损伤区进行模拟,所揭示出的损伤局部化特征和损伤区、破裂区分布特征与现场实际具有很好的一致性。

岩石高边坡爆破开挖损伤区岩体力学参数弱化规律研究

岩石边坡爆破开挖引起的岩体力学性能劣化对边坡稳定具有不利的影响,Hoek-Brown(H-B)准则是快速估算损伤岩体力学参数的有效途径之一。针对白鹤滩水电站左岸834~750 m高程拱肩槽边坡爆破开挖,通过分析爆破后边坡岩体的声波速度,定量确定了H-B准则中扰动因子D的取值及其随深度的变化规律,在此基础上研究了损伤区内岩体力学参数的弱化规律。研究结果表明:随着岩体深度的增加,扰动因子D线性降低,损伤区内岩体变形模量线性增大,岩体单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内摩擦角和黏聚力非线性增大;爆破开挖扰动下岩体单轴抗压强度弱化最为严重,内摩擦角弱化程度最小。研究成果可为边坡稳定性分析与支护设计的岩体力学参数取值提供参考。

大岗山水电站地下厂房洞室群围岩开挖损伤区研究

以大岗山水电站地下厂房洞室为研究对象,通过施工阶段的围岩力学性状测试、开挖变形长期监测研究地下洞室开挖损伤区的分布范围和损伤劣化特征。以围岩变形和损伤区实测成果为基础,建立基于正交设计–支持向量机–粒子群算法的反演分析方法。通过对地下厂房洞室开挖损伤区的测试与监测、反演分析表明,损伤区分布范围约为临空面向岩体内部3～7 m范围,其中,围岩类别不同,其损伤区分布范围不同,损伤劣化程度也不同,具体表现为围岩质量越好,其损伤范围越小,但是损伤区岩体损伤劣化程度越高。相关认识是初步的,对类似重大工程的设计施工有一定的参考价值,但还需要进一步开展理论与工程实践研究。

深埋隧洞开挖损伤区的检测及特征分析

隧洞开挖以后围岩会出现损伤,并在洞周形成开挖损伤区,在损伤区范围内声波波速会出现衰减。针对锦屏二级水电站3#引水隧洞在隧道掘进机(TBM)开挖过程中可能形成的损伤区,首先利用数值方法探讨了损伤区的分布特征,通过监测特征点在开挖过程中的应力路径,确定了特征点的应力状态和可能出现声波波速衰减的部位。在此基础上确定了对声波钻孔的布置方案,并利用单孔声波检测方法确定了损伤区深度。为了实现颗粒流程序PFC对损伤区的模拟,通过三轴压缩试验确定了PFC的细观参数。最后利用PFC描述了损伤区的分布,分析了损伤局部化特征和损伤程度的变化。结果表明PFC的模拟结果和检测结果具有较好的一致性,能够实现对损伤区特征的准确描述。研究成果对损伤区的检测和支护优化设计具有指导意义。

夏天无对坐骨神经损伤小鼠损伤区微环境的影响

目的研究夏天无Corydalis decumbens(Thunb.)Pers.对坐骨神经损伤小鼠损伤区微环境的影响。方法 30只小鼠随机均分为模型组、夏天无组、假手术组,Masson染色检测损伤区胶原纤维、炎性细胞、神经纤维分布,免疫荧光染色检测层黏连蛋白(LN)、施万细胞标记物S-100、小G蛋白Rac1表达及轴突再生情况,HE染色检测神经功能恢复情况。结果与模型组比较,夏天无组胶原纤维、炎性细胞减少,神经纤维有序,LN、Rac1、S-100表达,再生轴突数量,腓肠肌纤维横截面积和腓肠肌质量显著增加(P<0.05)。结论夏天无可通过减少胶原纤维生成和炎症细胞浸润,增加LN、Rac1、S-100表达,改善坐骨神经损伤小鼠损伤区微环境来促进轴突再生和神经功能恢复。

深井煤矿TBM掘进巷道围岩损伤区震波CT监测

以张集煤矿TBM开挖1413A高抽巷为研究对象,通过平行于高抽巷的轨道顺槽,向高抽巷施工监测钻孔,利用震波CT监测技术,对TBM掘进过程中围岩的开挖损伤区进行原位测试。基于对一系列不同时段波速场数据的综合分析,给出岩体的结构特性,得到巷道开挖全过程中围岩损伤区的产生和发展的演化过程,分析该施工条件下的开挖损伤区范围、裂隙演化与TBM施工的关系,并探讨开挖损伤区的形成和演化机制。研究成果为现场支护设计、支护时机、围岩变形特性和地质资料分析提供直接依据。

冻土破坏过程的微裂纹损伤区的计算分析

对冻土破坏过程进行了试验研究,冻土破坏的过程是微裂纹损伤与临界串接的演化过程,确认了冻土微裂纹损伤区的存在,并分别用莫尔准则和最大拉应力准则建立了微裂纹损伤区计算模式。将微裂纹损伤区按缺陷处理并简化为当量裂纹,进行了裂纹尺寸的定量计算,结果表明其尺寸与冻土中初始裂纹尺寸相当,将计算结果与观测结果相比较,误差不超过10%。

结晶岩开挖损伤区的温度–水流–应力–化学耦合研究

介绍国际合作研究计划DECOVALEX-THMC的TASKB关于结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合研究的部分进展情况,给出结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合研究的基本研究思路,以典型地下实验室(如瑞典?sp?硬岩实验室)的试验为基础,进行开挖损伤区的形成与演化机制规律分析,建立弹性、弹塑性、黏弹塑性的THMC分析模型,开发高效的数值分析软件系统,并分析结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合作用行为,通过各个研究小组背靠背的研究,然后进行成果对比、相关专家对分析结果的技术审查,以及修改和更新,以获得比较准确模拟结晶岩开挖损伤区的THMC模型。在此基础上,形成结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合研究工作指南,为高放核废物地质处置研究工作提供理论、方法和技术支持。

高应力区大尺度隧洞开挖损伤区范围预测研究

通过理论公式和数值模拟方法进行了高应力区大尺度隧洞开挖损伤区范围预测研究。当圆形隧洞开挖后,根据工程经验得到的破坏准则,结合隧洞周围的应力经典求解结果,可以推导出损伤区范围的理论公式,并且水平方向与竖直方向的范围能够直接得到,可以作为估测开挖损失区的实用方法。当把破坏准则与有限元方法结合,能够得到更为精确的损伤区分布,改变隧洞的形状与尺寸,得到主要结论如下:当初始水平应力小于竖直应力时,圆形隧洞的直径增大后,水平方向的开挖损伤区范围比竖直方向更大;隧道形状对开挖损伤区分布范围和特性有着显著影响,在相同地应力和围岩条件下,开挖相同面积的圆形和矩形隧洞,圆形隧洞的损伤区范围比矩形隧洞更小;3当矩形隧洞的宽高比增大后,开挖区附近出现拉应力,水平方向的损伤区范围最大。

岩体开挖损伤区的表征及热-流-力耦合模型:研究现状及展望

地下岩体工程的开挖必然在巷道周边形成了开挖损伤区.认清开挖损伤区的物理力学性质及其时空演化规律,对于工程稳定性和安全性评价及支护参数优化是至关重要的.针对能源深部战略储备和核废料深部地下处置等工程问题,近年来岩体开挖损伤区表征及其热-流-力(THM)耦合模型方面取得了较大的进展.文中对岩体开挖损伤区的表征方法及岩体多场耦合模型的研究现状进行了综述和归纳,对其中的一些关键和热点问题进行了分析,并对今后需要开展的研究工作提出了一些看法.

深部围岩开挖损伤区数值模拟研究

针对深部围岩体卸荷的特点,引入拉伸应变来描述损伤,得到了岩石损伤弹塑性耦合本构模型,并将其编译为计算软件FLAC的用户自定义本构模型。在此基础上,对深部围岩开挖损伤区进行了数值模拟,分析了围岩和支护的相互作用以及不同支护形式对开挖损伤区的影响,为选择合理的支护形式和施工设计等环节提供参考。

开挖损伤区近场模型THM耦合过程的BMT模拟

以正在进行的大型国际合作项目DECOVALEX-THMC为背景,利用自行开发的弹塑性细胞自动机模拟系统,对开挖损伤区近场模型域进行程序校验(BMT)模拟研究,揭示高放废物从处置开始直至1×106a的演化过程中,裂隙的存在对开挖损伤区力学性能的影响。首先进行的是弹性分析,研究对象包括开挖损伤区近场均质模型和包含复杂裂隙网络的非均质模型域,该裂隙网络是瑞典?sp?硬岩实验室根据裂隙映射得出的真实裂隙网络分布。引入简单的弱化参数表达式,用弱化元胞单元来代表模型中的复杂裂隙网络,以模拟裂隙的软化效应。采用项目指导委员会提供的随时间变化的温度、应力、水流边界条件,模拟地质围岩从开挖、核废物处置、加热100～1×106a的力学演化过程。模拟结果显示,裂隙的存在对应力场、变形场和破坏过程有较大的影响,并将模拟的结果与国际上其他研究小组的模拟结果进行对比,吻合较好,说明该模型和方法的合理性,并可适合于该项目下一步的研究工作。在此基础上,采用弹塑性细胞自动机模拟系统,对裂隙网络模型和均质模型进行弹塑性破坏过程分析,结果表明,由于裂隙的存在,裂隙网络模型的破坏过程更加复杂。