基于离散元-有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制

轨枕垫(USP)因其良好的减震性能已广泛应用于铁路轨道结构,现有研究大多集中于USP对轨道结构刚度和振动响应的影响,但对有砟道床横向阻力影响的研究很少。为深入分析USP对道床横向阻力的影响并揭示其作用机理,建立轨枕-USP-有砟道床-路基三维系统的精细化离散元-有限差分(DEM-FDM)耦合数值模型,采用典型重载铁路有砟道床横向阻力现场实测结果对模型进行标定和验证,进而模拟分析不同工况组合下USP对轨枕不同位置处(枕底、枕侧和枕端)的横向阻力、道砟颗粒运动和粒间接触力等宏微观指标的影响机制。研究结果表明:在相同的轨枕横向位移下,相较于无USP的轨枕,带USP的轨枕其枕底道砟颗粒运动范围更大,横向阻力也更大,且横向阻力增加部分主要来源于枕底USP的不平整性;USP刚度越大,道床横向阻力也越大;采用USP可增加枕底的横向剪应力和最大法向接触力,且两者数值均随USP刚度的增大而增大。

基于离散元-有限差分耦合的摩擦型轨枕底部凹槽形状对有砟道床横向阻力的影响机理

摩擦型轨枕可有效增强有砟道床横向阻力,但目前没有相关设计规范,摩擦型轨枕底部凹槽对横向阻力的增加机制尚不清晰。为深入分析不同凹槽形状对道床横向阻力的影响并揭示横向阻力的增强机理,基于横向阻力现场测试和离散元-有限差分耦合方法建立三维轨枕-有砟道床-路基数值模型,从宏、细观层面研究5种不同轨枕底部凹槽形状对横向阻力的影响。研究结果表明:与普通型轨枕相比,不同摩擦型轨枕的横向阻力增幅存在较大差异,范围为35.1%~80.2%,且横向阻力随凹槽侧面积的增加而呈对数增加;由于底部凹槽对道砟颗粒的约束作用,轨枕底部与道砟颗粒的接触数增加,凹槽附近的接触力增大,接触力链分布更密集;摩擦型轨枕周围颗粒的位移和旋转受到更强的约束;摩擦型轨枕各向异性在轨枕出现位移后向水平面转变,这是增强横向阻力的主要细观因素。建议在有砟轨道的设计中,采用具有不连续槽的摩擦轨枕,并考虑以最大化凹槽侧面积为目标进行设计。

基于离散元-有限差分耦合的滚石冲击棚洞垫层动力响应研究

在棚洞结构顶部覆盖一层砂土缓冲垫层能有效减小滚石对棚洞顶板的冲击力,以往多采用有限元方法开展研究,无法考虑砂土垫层离散特征,研究手段有待改进。以棚洞垫层物理模型试验为原型,考虑砂土颗粒离散性和棚洞混凝土结构的连续性,采用离散元-有限差分耦合算法,其中离散元模拟砂土垫层,有限差分法模拟棚洞混凝土结构,在充分发挥两种模拟方法优势下,开展滚石以不同角度、不同速度冲击棚洞垫层的动力响应数值模拟研究,通过对受冲击棚洞支座反力、棚洞顶板位移、滚石冲击力分析,揭示棚洞结构的动力响应特征。研究结果表明:冲击角度和冲击速度对支座反力影响显著,冲击角度增大,支座反力随之增大。相对而言,在较小冲击角度下,支座反力受冲击角度的影响较大,而较大冲击角度下,冲击速度的影响则更明显;冲击力方面,伴随冲击角度和冲击速度增大,滚石冲击力随之增大,较大冲击角度下,角度的增大对冲击力的提升更加明显;棚洞顶板中心处竖向位移值随冲击角度和冲击速度的增大而显著增大,且在较小冲击角度下,冲击角度对顶板位移的影响更大,而较大冲击角度下,冲击速度的影响更为显著。

基于FDM-DEM耦合的冲击损伤大理岩静态断裂力学特征研究

为探究循环冲击损伤后大理岩的静态断裂力学特征,基于有限差分(finite difference method,FDM)-离散元(discrete element method,DEM)耦合的建模技术构建了三维分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)数值模型,其中杆件系统和岩石试件分别采用FLAC^(3D)和PFC^(3D)程序建模。利用该模型对中心直切槽半圆盘(NSCB)试样进行了恒定子弹速度下的循环冲击,随后对受损试样进行静态三点弯曲断裂实验。通过编写Fish程序,提取试样断裂面数据,对断裂面进行重构并定量计算表面粗糙度。通过与相关室内实验结果的对比分析,验证了本文数值分析的合理性与可靠性。模拟结果表明,随着循环冲击次数的增加,试样内部微裂纹、破碎颗粒均增加。连接力场分布混乱,部分力链发生断裂。力链的变化是试样力学性能劣化的根本原因。在静态三点弯曲断裂实验中,冲击5次后试样的静态断裂韧度较天然试样产生一定程度的降低。试样在静载过程中产生的微裂纹和碎块的数量随循环冲击次数的增加而增加,断裂面粗糙度随循环冲击次数的增加而增加。

基于FDM-DEM耦合的岩石动态冲击特征方法

为探究动态冲击作用下岩石的力学特征,根据室内霍普金森冲击试验模型,基于有限差分(finite difference method,FDM)-离散元(discrete element method,DEM)耦合方法构建了三维分离式霍普金森压杆(split hopkinson pressure bar,SHPB)冲击数值模型,在模型入射杆端部施加半正弦冲击波进行动态冲击模拟,对三维离散元试样的动态应力时程曲线、裂纹时空演化等特征进行讨论,从细观力学角度分析岩石的动态冲击破坏过程。结果表明:三维耦合模型在动态冲击过程中能够很好地满足应力有效性检验,保证了冲击过程的可靠性;利用Fish语言编写的半正弦冲击波等效替代室内试验撞击杆的撞击作用可以在一定程度上消除入射波的弥散效应;动态冲击过程中,试样内部的裂纹发展可分为平静阶段、缓升阶段、陡增阶段和稳定阶段,且裂纹主要产生于应力峰后阶段,裂纹总量呈反Z形变化。

力-热耦合作用下煤岩动力学特性和破碎机理研究

为了安全高效地进军深部煤炭资源开采,开展深地“三高一扰动”环境下煤岩的动态力学特性和破碎机理研究,采用自主改进的∅50 mm高温同步分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对25~200℃温度下煤岩进行动态冲击试验研究,并改进ZWT粘弹性本构模型建立考虑温度效应的煤岩动态本构方程,基于有限差分-离散元数值模拟研究高温效应对煤岩裂纹发育规律及其动态强度的影响。研究表明:高温冲击作用下煤岩的动态应力应变曲线可划分为四个阶段:压密阶段、弹性阶段、裂纹增长阶段和软化失效阶段;随着温度的增加,煤岩的动态抗压强度和动态弹性模量劣化明显,失效应变呈现增加趋势,吸收能则呈现W型波动趋势;破碎粒径减小,分形维数则呈现明显的线性增加,抗压强度越低,破碎程度越高,破碎模式更为复杂;基于ZWT改进后的动态本构模型良好地表达高温冲击后的应力应变关系,但对压密阶段的表达不甚理想;模拟和试验结果显示煤岩在150℃高温后水成分和吸附气体活跃析出,煤基质受热膨胀破裂,出现明显细观裂纹,并逐渐发育为贯通裂纹,其中以剪切裂纹为主。煤岩在100℃下动态压缩的裂纹发育从受撞击面发育贯通,高温劣化煤岩强度。研究结论为“三高一扰动”深部复杂地况下煤炭资源安全高效开采提供基础理论支持。

流变荷载作用下公路隧道二次衬砌开裂特征研究

针对流变荷载作用下公路隧道二次衬砌裂损情况随运营年限增加不断显现的问题,文章基于离散元-有限差分耦合计算方法,对流变荷载作用下二次衬砌的裂损过程进行分析,并探讨了地应力场及衬砌背后空洞对二次衬砌破坏特征的影响。结果表明:(1)地应力场对二次衬砌的破坏形态有较大影响,当λ=0.5时,裂损主要发生在拱顶与拱底区域;当λ=1或2时,裂损主要发生在左右拱腰区域;(2)当拱顶存在空洞时,衬砌裂损过程及最终破坏形态与无空洞情况存在差异;当拱肩存在空洞时,衬砌裂损过程及最终破坏形态与无空洞情况相似;当拱腰存在空洞时,衬砌裂损过程与无空洞情况不同,但其最终破坏形态与无空洞情况相似;(3)当拱顶及拱肩存在空洞时,衬砌裂损过程及最终破坏形态与仅拱顶存在空洞情况相似;当拱肩与拱腰或拱顶与拱腰存在空洞时,衬砌裂损过程及最终破坏形态与单一空洞情况存在差异;(4)不同空洞数量及空洞组合情况下,空洞附近处的混凝土均出现开裂。

落石冲击作用下棚洞垫层动力响应的颗粒级配效应耦合数值模拟研究

落石冲击垫层的动态冲击力与冲击深度是棚洞结构设计的重要依据。级配作为垫层颗粒粒度分布的重要特征,决定了垫层各级粒径颗粒的分配情况,影响了落石冲击垫层的动态过程。为研究颗粒级配对落石冲击垫层动态响应的影响,采用离散元-有限差分耦合方法,其中离散元模拟颗粒垫层,有限差分法模拟棚洞混凝土结构。在垫层平均粒径相等的情况下,开展了落石冲击不同级配垫层的动力响应数值模拟研究,通过对落石冲击力、顶板中心压应力、落石冲击深度的分析,揭示了落石冲击颗粒垫层的动态响应机制。研究结果表明:颗粒间力链的稳定性决定了垫层受冲击后的动态响应特征;颗粒间的摩擦是冲击能量耗散的主要方式,耗能占比达70%~80%;对于单峰型级配,单峰对应的粒径越小,力链长度越长,稳定性越差。峰值粒径d_(t)=75 mm时的峰值冲击力为d_(t)=25 mm的1.9倍,顶板峰值压应力为其3.6倍;对于双峰型级配,双峰的距离越近,颗粒周围约束的数量越少,力链的稳定性越差。非均质系数H_(e)=0.65时的峰值冲击力比H_(e)=0.33时的大40%,顶板峰值压应力大30%,粒径分布的离散性决定垫层受冲击后的响应特征。