计算汽轮机轮盘旋转应力的传递矩阵法

在文献［４］的基础上，导出用传递矩阵分析计算汽轮机阶梯式变厚度轮盘应力的方法，并编制了相应的用于微机的电算程序。文中附有算例，以说明其应用。

空心圆柱仪(HCA)模拟恒定围压下主应力轴循环旋转应力路径能力分析

针对国际上大多数HCA仪在主应力轴循环旋转试验中只能提供轴力和扭矩两个加载变量的现状,指出了这种变载方式在模拟主应力轴循环旋转应力路径方面存在的局限性。通过详细的数学推导提出了三种切实可行,且能模拟实际工程中土体经历主应力轴循环旋转的应力加载方式:①在满足轴力W等于3πrori(pi-po)的前提下,仅变化扭矩MT可实现围压p不变,中主应力参数b恒定(0.5),而剪应力q随大主应力轴转角α有规律循环变化的应力路径;②在保持b不变的前提下(此时b可以设定为不等于0.5的任意合理值),只要W和MT能满足一定的三角函数关系式,同时以p—q形式的临界状态线为准绳,通过控制轴力的加载范围限制试验中允许出现的q的峰值,就可以实现p、q之间保持恒定线性关系而α有规律循环变化的应力路径;③若不考虑中主应力对于土体性状影响,则可通过对W和MT采用较为简单的三角函数关系来实现保持q不变,而(σ1+σ3)/2随α单调递减的应力变化方式。研究成果不仅给后继的试验方案提供了理论基础,也为HCA仪器功能的完善提供了很好的依据。

四向振动空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

主应力轴旋转对土体的动力特性有着显著影响。利用GDS动态空心圆柱扭剪仪(HCA)能够实现内围压、外围压、轴力和扭矩四向动态加载的功能,提出了3种主应力方向变化的应力路径加载方式,分析了3种应力路径在实际工程中的应用,并进行了试验验证。当四向动载根据推导的波形函数加载时,可以实现:1平均主应力p、中主应力系数b和偏应力q保持恒定,主应力轴循环旋转的应力路径;2平均应力p和中主应力系数b保持不变,偏应力q循环变化,而主应力方向角?=90°突变的应力路径;3平均主应力p、中主应力系数b保持不变,偏应力q、主应力方向角α连续变化的应力路径。应力路径1为模拟海洋波浪荷载作用下的应力路径试验提供了理论依据,应力路径2可用于模拟不同方向地震荷载的作用,应力路径3可以模拟波浪荷载作用下桩周土体的应力路径以及交通荷载作用下的应力路径。

动态围压下空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转应力路径能力分析

针对英国GDS公司动态空心圆柱扭剪仪(HCA)在主应力轴旋转试验中能够实现三向动态加载(轴力、扭矩、内围压或外围压)的功能,通过严格的数学推导,提出了3种易于实现又与实际工程背景相符合的应力路径加载方式。当三向动载满足相应的条件时,可以实现(1)平均主应力p和剪应力幅值q保持恒定的应力路径(应力路径1);(2)中主应力参数b=0.5、剪应力幅值q为常数的应力路径(应力路径2);(3)平均应力p保持不变、主应力旋转角90o突变的应力路径(应力路径3),其中应力路径1、2为模拟海洋波浪荷载作用下的应力路径试验提供了理论依据,应力路径3可用于模拟地震荷载作用下的土体动力特性。以上3种应力路径均不能在两向动态HCA仪中实现。

空心圆柱仪模拟波浪荷载下主应力轴旋转应力路径能力探讨

针对波浪荷载作用下土体单元复杂特殊的应力状态可利用空心圆柱仪模拟其主应力轴旋转应力路径。以波浪荷载下土体应力路径形状为出发点，推导出两向～四向空心圆柱仪（HCA仪）动力加载参数波形公式，经过理论分析验证了该表达方式的合理性，即：（1）两向振动HCA模拟只要满足内外围压差的绝对值与动偏应力q的不等式关系就可成功实现圆形应力路径的加载；（2）三向振动HCA可以模拟中主应力系数b或平均主应力p恒定不变的情况，当b值不变时，p值随主应力轴转角单调变化：（3）四向振动HCA能够较真实全面地模拟波浪荷载下土体的应力特征，同时还可实现主应力轴循环旋转过程中b、p、q三值均不变的应力状态。

采场等效孔模型及主应力旋转规律

针对采场侧方巷道非对称破坏现象严重、巷道周边主应力旋转规律不明确的问题,基于主应力方向旋转下的非等压圆孔塑性区边界方程和蝶形破坏理论,阐述了巷道周围主应力旋转与巷道非对称破坏之间的联系。建立采场等效孔的理论模型,研究了不同初始侧压系数下采场侧方主应力方向旋转的演化规律,以神东布尔台矿22205工作面为工程背景,通过理论分析与数值模拟,沿推进方向对采场的不同位置进行等效孔拟合,验证了采场等效孔模型的可靠性,为采场侧方主应力旋转角度的确定提供了一种新思路。研究结果表明:①当巷道处于蝶形风险区时,其周围主应力方向的旋转会引起蝶形塑性区的旋转,对巷道稳定性造成影响。提供了采场等效孔的理论模型可用于计算采场侧方主应力的旋转角度,数值模拟结果与理论计算吻合度较高。②采场前后一定范围内的侧方煤体中主应力方向会发生旋转,主应力的旋转角度由采场未开挖时周围的初始地应力与采场等效孔半径决定。当初始侧压系数大于1时,最大主应力由垂直方向逐渐旋转为水平方向,可以用主应力旋转45°隐性方程对采场侧方旋转45°的位置进行判定;当初始侧压系数小于1时,最大主应力由垂直方向先向水平方向旋转一定角度,随后会回转至垂直方向。采场等效孔半径表征采场的影响范围,半径越大则采场的影响范围越大。

主应力轴旋转条件下冻结黏土累积塑性应变与临界动应力特性研究

冻土作为寒区工程的基础和人工冻结工程的支护壁,经常承受动荷载的扰动,研究其在动荷载作用下累积塑性应变和临界动应力特性,可为寒区工程和人工冻结工程变形控制和稳定评价提供重要参考。为揭示主应力轴旋转对冻结黏土累积塑性应变和临界动应力特性影响,采用冻土空心圆柱仪进行了一系列考虑围压影响的动三轴试验和纯主应力轴旋转试验,分析了冻结黏土累积塑性应变、累积塑性应变率和临界动应力特征变化。研究表明,冻结黏土试样轴向累积塑性应变随着循环次数的增多而增大,围压的增大则会抑制冻结黏土轴向累积塑性应变发展速度,而主应力轴旋转效应会加快冻结黏土轴向累积塑性应变发展速度。冻结黏土轴向累积塑性应变率呈现3种不同变化趋势,提出了基于累积塑性应变速率判别的冻结黏土塑性变形行为划分准则,并建立了冻结黏土塑性安定和塑性蠕变临界动应力表达式,证实了主应力轴旋转条件下冻结黏土临界动应力显著降低。研究结果对冻土工程的设计、施工、稳定评价和寒区资源开发都具有重要的指导意义。

直墙半圆拱隧道围岩变形对开挖应力旋转的响应规律

隧道开挖过程中,围岩应力经历了由原岩应力到应力集中或应力降低,最后达到平衡的重分布过程。隧道开挖部分的围岩经历了复杂的应力路径,主要涉及应力大小和应力轴方向的改变。其中,应力大小的改变对隧道围岩的破坏特征、裂隙演化规律可以通过室内力学实验获得,当隧道深处围岩未发生明显破坏处于三向受力状态下,可通过三轴压缩实验、三轴循环加卸载实验等研究其破裂演化特征;当隧道围岩发生破裂(例如两帮破裂、片帮)后应力环境将由三向应力状态转变为二向应力状态甚至单向应力状态,可通过单轴压缩实验、单轴流变实验等研究其破裂演化特征。然而隧道开挖后应力轴方向在空间上的旋转极为复杂,且应力轴向方向旋转是隧道围岩复杂应力路径表现的主要形式。隧道开挖诱发的围岩应力状态改变,从而孕育和活化围岩裂隙,并造成围岩破裂失稳。该应力状态改变诱发的围岩灾变主要受应力主轴旋转的影响,其对裂隙孕育、扩展深度和扩展方向上有着显著变化,并在不同岩体上表现出不同的宏观破坏状态。因此,在现场实践和科学研究中,人们逐渐对应力旋转现象予以关注,并尽可能地采用多种手段量化应力轴向在空间上的旋转规律,从而清晰地展现出开挖应力旋转与围岩破裂演化的内在联系。然而现有研究成果大多基于特定工程背景或地质条件进行的研究,在应用上具有一定的局限性。因此,为进一步探究隧道开挖围岩应力旋转规律和围岩变形破坏对应力旋转的响应规律,并能够清晰地量化呈现其空间分布规律,本文拟采用PHASE 2D有限元软件分析隧道开挖围岩应力轴向旋转情况及其与围岩变形之间的关系,并研究不同应力初始轴向角度对隧道围岩变形影响规律。

应力洛德角旋转路径下粗粒土的力学行为

为研究应力空间中恒定的平均应力和偏应力条件下粗粒土的力学行为,采用自主研发的微摩阻大型真三轴仪,在同一个偏平面的多级偏应力条件下开展了三组旋转应力路径试验。试验过程中,调整应力洛德角在-30°~30°之间增减循环2次,覆盖了偏应力平面1/6范围,并由对称性而代表整个偏应力平面。在不同的应力比条件下,结合应力路径分析了体积应变、偏应变、应变洛德角与应变路径的演化规律。试验结果表明:首先,在恒定球应力与偏应力条件下,受应力洛德角影响,土体仍会发生明显变形。在应力洛德角的初次增加过程,土体发生弹塑性变形,随后的过程中,土体的偏应变、体积应变与应变洛德角均表现出滞回性。第二,在恒定的球应力与偏应力下,初始偏应变的斜率仍然随着偏应力的增加而增加。第三,随着应力洛德角变化,受初始应力比影响,土体可能从初始的稳定状态达到变形破坏状态。最后,提出了土的本构模型中需补充考虑的应变洛德角关系式。

旋转预应力条件下的叶片流固耦合模态分析

考虑了旋转预应力作用和流固耦合效应,对风机叶片系统进行动力学分析。首先是在静态条件下进行应力分析,获得预应力效应矩阵,并将外部载荷转化为结构的额外刚度,再建立在旋转预应力条件下流固耦合的叶片系统动力学方程。采用ANSYS有限元软件和流体力学Fluent软件,计算叶片系统的频率和模态并进行了分析。结果表明在旋转预应力与风机流场的流固耦合作用下,频率与模态有较为显著的改变。

应力主轴循环旋转对砂土变形特性的影响(英文)

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪进行了应力主轴固定单调剪切和应力主轴循环旋转两种不同路径的排水试验。通过应力主轴固定单调剪切试验分析了所制作砂样的初始各向异性特性。在应力主轴循环旋转试验中,控制施加在试样上的3个有效主应力的大小不变,仅应力主轴在0°～180°循环旋转。着重分析了4个应变分量及体应变随应力主轴循环旋转周数的变化关系、剪应力剪应变关系以及所施加的剪应力水平和有效球应力在应力主轴循环旋转过程中对砂土变形特性的影响。

中主应力系数对应力主轴循环旋转条件下砂土变形特性的影响

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪对日本标准丰浦砂进行了四个系列、每个系列包含中主应力系数b=0.1,0.5和1.0三种不同情况的纯应力主轴循环旋转排水试验,即试验过程中控制作用在砂样上的有效主应力的幅值不变,仅应力主轴在0°～180°循环旋转。试验发现中主应力系数b对应力主轴循环旋转条件下砂土的变形特性有显著影响,着重分析了这一参数对纯应力主轴循环旋转条件下砂土的应变分量和体应变的发展、剪应力剪应变关系曲线及流动规律等变形特性的影响。

千米深井超长工作面采动应力旋转特征及应用

千米深井超长工作面采动应力环境更为复杂,围岩破坏程度和控制难度升高,威胁开采安全。为提高该类采场围岩控制效果,采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究手段,从采动应力旋转角度分析该现象对围岩稳定性的影响及其应用原则。结果表明:千米深井超长工作面围岩裂隙发育程度升高,稳定性受到采动应力大小和方向的双重影响,含裂隙围岩存在优势裂隙扩展角,采动应力旋转造成围岩承载能力降低,采动应力旋转角度愈大,围岩稳定性愈差;采动后,121304工作面采动应力发生旋转,旋转轨迹与采动影响程度、工作面推进方向密切相关,距采空区边界愈近,采动应力旋转速度和旋转角度愈大;煤层和低位岩层最大主应力在平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,倾角减小,最小主应力则首先向平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,然后在上述平面内与最大主应力同步旋转,倾角增大;岩层位态升高,采动应力旋转角度先增大后减小,高位岩层采动应力旋转轨迹受121303工作面采空区影响,采动应力旋转轨迹向临近工作面采空区偏转;根据工作面推进方向与采动应力旋转轨迹的关系,提出围岩中存在一组、多组优势裂隙及裂隙随机分布条件下工作面推进方向确定原则,并分析了采动应力旋转现象对覆岩“砌体梁”结构稳定性的影响。

考虑主应力轴旋转的基坑开挖应力路径研究

首先对应力路径的概念进行丰富和扩展,提出考虑主应力轴旋转的三维应力路径,然后采用数值方法,对基坑开挖过程中的应力路径进行了深入分析,研究了基坑内外各种应力路径及其规律,结果表明:开挖过程中无论横向还是竖向,应力路径都表现出卸荷特性,且坑内卸荷量大于坑外卸荷量,使得坑内应力变化及主应力轴旋转较坑外大;随着离基坑中心距离的增大,坑内应力变化减小,主应力轴旋转趋缓;开挖过程对坑外应力变化及主应力轴旋转的影响随离围护墙距离的增大而减小。坑内应力路径总体表现为平均压应力p减小,广义剪应力q减小,主应力轴偏转角增大;坑外应力路径总体表现为p减小,q增大,增大。最后归纳出基坑开挖过程中坑内与坑外的典型应力路径,以指导基坑工程实践设计分析和室内试验模拟。

考虑三维应力旋转的隧洞衬砌支护时机研究

基于岩体裂隙的扩展机理对隧洞开挖过程进行数值模拟,通过对模型中计算点岩体的应力路径分析表明,随着隧洞挖掘的深入,其顶部岩体的第三主应力方向由竖直向下旋转至沿洞壁的切线方向,隧洞边墙岩体的第三主应力方向一直维持不变。当掌子面推进至超过计算点3m左右时,顶部计算点岩体的应力旋转趋于稳定。对隧洞顶部计算点岩体的位移路径分析表明,沿隧洞纵剖面观察,其顶部岩体的位移方向与竖直方向(向下为正)的夹角随掌子面地推进逆时针从42°变化至-3°,同样也是在掌子面推进至超过计算点3m左右时位移方向变化趋于稳定,因此应该在此时对围岩进行衬砌支护。

考虑中主应力系数影响的主应力轴旋转下原状软黏土变形研究

用浙江大学空心圆柱扭剪仪对杭州原状软黏土进行了固结不排水主应力轴旋转试验,试验中保持平均主应力、中主应力系数和切应力不变,进行了应力路径和各应变分量可靠性分析,并在此基础上探讨纯主应力轴旋转对各应变分量、广义切应变和切变模量的影响.研究表明:当中主应力系数等于0.5时,径向应变数值很小,可以忽略不计;轴向应变变化特征与环向应变刚好相反;在各应变分量中扭切应变占主导地位.在低切应力作用下,纯主应力轴旋转产生的应变很小;随着切应力增加,应变分量显著提高;广义切应变在高切应力下才适合选用.主应力轴旋转中切变模量呈"勺"形变化说明土体刚度逐渐降低.研究发现前期主应力轴旋转和高切应力作用对土体后期主应力轴旋转产生的变形有很大的影响.

交通荷载引发主应力轴旋转下软黏土变形与强度特性试验研究

交通、波浪、地震等循环荷载引发不同主应力方向变化模式,对软土地基长期沉降与稳定产生显著影响。为研究饱和软黏土在交通荷载下的长期动力特性,借助空心圆柱扭剪仪开展偏应力空间中主应力轴心形线旋转、圆形旋转与定向剪切等3类主应力方向变化路径的室内模拟,对比研究了不同试验条件下试样不排水塑性累积变形、孔压、临界动应力比与动强度特性的发展规律,研究表明:(1)不同主应力轴旋转路径下土体临界应力比由低到高依次为主应力轴圆形旋转、主应力轴心形旋转、拉压非等幅三轴路径。与前面临界应力比分布相对应,在轴向累积应变稳定型中,产生的塑性累积变形与极限孔压依次减小;(2)振次大于一定数值时,不同主应力方向变化路径下稳定型试样的轴向累积应变与时间的对数具有良好的线性关系,并依此建立了轴向塑性累积变形方程;(3)与轴向塑性累积变形相对应,动力荷载下土体孔压增长也存在3种发展规律,主应力轴连续旋转路径下临界型破坏的土体孔压-应变时程曲线呈三阶段两相态点模式;(4)在其他条件均相同时,土体在主应力轴圆形旋转路径下强度最小,在主应力轴心形旋转路径下的次之,在拉压非等幅动三轴路径下最高。

交通荷载引起的主应力轴旋转室内试验模拟探讨

为了通过室内试验研究交通荷载引起的主应力轴旋转对土体循环特性的影响,以单个移动荷载和列车荷载为例,分析了主应力轴旋转特点。以此为基础,结合空心圆柱仪的加载特点,给出了室内模拟主应力轴旋转的加载方法。竖向动应力可以用具有静偏应力的正弦荷载模拟,动剪应力可以用正弦荷载模拟,两者的相位差为π/2。为了模拟交通荷载引起的主应力差变化的特点,两种动应力的幅值应该是不同的。当试验中施加无应力反向的竖向动应力时,大主应力夹角在-π/2～-π/4和π/4～π/2之间变化。

考虑主应力轴旋转的土体本构关系研究进展

对目前国内外考虑主应力轴旋转的试验研究及本构模型研究进行了总结分析,并对进一步研究提出了相应的建议.基于不同的加载条件,从纯主应力轴旋转和耦合主应力轴旋转两个方面,较全面的描述了主应力轴旋转情况下土体的基本变形特性,并对考虑主应力轴旋转的土体变形试验提出了进一步研究的建议.较为系统地评述了当前较有代表性的考虑主应力轴旋转的土体本构模型(边界面模型、多机构模型、运动硬化模型和广义塑性模型),得出了广义塑性模型更适合用来描述考虑主应力轴旋转的土体变形特性的结论.总结未来考虑主应力轴旋转的土体本构关系研究的主要方向是:把握主应力轴旋转情况下土体变形的本质特性,建立推理严密、形式简单、适用方便的本构模型,并用来指导工程实践.