基于连续-非连续单元法复合岩土体穿层预应力锚杆受力分析

边坡工程施工过程中,采用预应力锚杆施加预紧力可约束岩土体开挖后应力重分布作用产生的过大变形,增强岩土体自身强度。针对某边坡工程中预应力锚杆穿过多层岩土体的荷载传递及锚固承载特征问题,基于连续-非连续单元法(continuum discontinuum element method,CDEM)数值模拟方法,考虑复合岩土体中岩土层理结构面之间的非连续以及块体-杆件耦合计算问题,建立二维边坡复合岩土体桩锚结构数值模型,揭示复合岩土体中穿层预应力锚杆的受力特征。研究结果表明:岩土层与锚固体极限粘结强度标准值越大,产生的轴应变越小,轴力传递效应越弱,锚杆轴力衰减率越高;张拉第二、三根锚杆时,其杆体作用在张拉第一根锚杆之后岩土层自平衡后的应力场内,岩土体结构面产生的错动以及剪切蠕变导致预应力快速损失,其损失率比第一根锚杆大3%~4%;该边坡工程中锚固角度在25°左右最优,既能控制水平向受力,也能防止坡顶沉降,桩锚结构整体稳定性较好。耦合复合岩土体建模-桩锚结构承载-参数优化,深入研究复合岩土体中穿层预应力锚杆受力及其参数影响规律,研究结果将指导复合岩土体中桩锚结构设计与施工。

基于连续-非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟

爆破开采是露天矿采选总成本控制的首要环节,数值模拟是进行露天矿爆破开采优化设计及爆破效果分析的有效手段。利用连续-非连续单元方法(continuum-discontinuum element method,CDEM)对露天矿的三维台阶爆破过程进行了模拟,通过朗道爆炸模型实现了爆炸作用力的精确计算,通过弹性-损伤-断裂本构实现了岩体损伤破裂过程的描述,通过半弹簧-目标面及半棱-目标棱的联合接触算法实现了破碎岩块碰撞、飞散及堆积过程的高效模拟。开展了小尺度单自由面爆破过程的数值模拟,计算给出的块度分布曲线、爆破漏斗体积等参数与文献中模型实验的结果基本一致,证明了CDEM及本文所述各类模型在模拟爆炸破岩方面的精确性。以鞍千矿南采区的露天铁矿爆破开采为研究对象,建立了3排21炮孔的三维台阶爆破概化模型,模拟了从炸药起爆、岩体损伤破裂到最后爆堆形成的全过程;计算结果表明,除后缘拉裂槽外,数值计算给出的爆堆形态、顶部鼓起高度等与现场的测试结果基本一致,证明了利用CDEM开展三维露天台阶爆破全过程模拟的可行性。

基于连续-非连续单元法的三维脆性颗粒冲击破碎特性分析

通过在连续-非连续单元法(CDEM)中引入考虑应变率效应的断裂能本构以及能量统计算法,实现了球体冲击破碎过程中损伤破裂程度及能量演化的定量分析。计算结果表明,冲击破碎过程分为接触蓄能阶段、损伤破碎阶段和碎块飞散阶段。首先,颗粒的部分动能转化为单元弹性变形能,随后这部分变形能和动能迅速转化为摩擦消耗、阻尼消耗及弹簧断裂能,破碎基本完全后碎块继续飞散。不同冲击速度下,颗粒分别出现了反弹、开裂、破碎和粉碎的现象。随冲击速度的增加,D50的变化速率逐渐放缓,破碎块度逐渐趋于稳定;破裂度、损伤度以及平均损伤因子的变化速率先增加后放缓,颗粒破坏以拉伸破坏为主。以上结论可为脆性材料冲击破碎工艺的优化设计提供依据。

基于非连续单元法的露天矿轮斗剥离台阶片帮灾害分析

针对某露天煤矿轮斗剥离台阶片帮情况,对剥离台阶岩土体进行了物理力学试验,基于有限差分方法,从边坡内部应力应变特征及塑性区扩展情况开展了单台阶片落体失稳机理分析,基于改进的结构面软化模型,采用连续-非连续单元方法(CDEM)对片落体滑塌及堆积的全过程进行了数值模拟分析,对片落体的运动轨迹及堆积情况进行了模拟分析,结合现场地质环境特征,分析了单台阶片帮的触发因素,结论表明,改进的结构面软化模型可作为地质体的渐进破坏的判据,真实还原片落体垮塌全过程;采用连续-非连续单元方法可模拟材料由连续体到非连续体的渐进破坏过程,实现大变形滑坡的灾变全过程分析,研究成果可为类似工况的边坡的评价及治理提供参考。

基于连续-非连续单元法的预应力斜拉桥桥面板裂缝成因分析

预应力斜拉桥受到多种荷载及温度作用从而容易出现裂缝。传统的有限元方法不能精准刻画裂缝的产生与扩展,基于连续-非连续单元法,结合多物理场耦合对预应力桥面板展开数值模拟,对当前裂缝成因、长期演化进行了分析。结果表明:桥面板自身重力、拉索索力及桥梁弯直程度不是构成桥梁出现裂缝的主要原因,同时钢筋预应力在一定程度上有阻碍裂缝开展的作用;温度长期循环作用对桥面板初始裂缝起主导作用,后期车辆动荷载反复加载使初始裂缝进一步扩展。

基于键型近场动力学非连续Galerkin有限元法的爆炸毁伤模拟

近场动力学是一种积分型非局部的连续介质力学理论,已广泛应用于固体材料和结构的非连续变形与破坏分析中,其数值求解方法主要采用无网格粒子类的显式动力学方法.近年来,弱形式近场动力学方程的非连续Galerkin有限元法得到发展,该方法不仅可以描述考察体的非局部作用效应和非连续变形特性,还可以充分利用有限单元法高效求解的特点,并继承了有限元法能直接施加局部边界条件的优点,可有效避免近场动力学的表面效应问题.该文阐述了键型近场动力学的非连续Galerkin有限元法的基本原理,导出了计算列式,给出了具体算法流程和细节,计算模拟了脆性玻璃板动态开裂分叉问题,并对爆炸冲击荷载作用下混凝土板的毁伤过程进行了计算分析.研究结果表明,该方法能够再现爆炸冲击荷载作用下结构的复杂破裂模式和毁伤破坏过程,且具有较高的计算效率,是模拟结构爆炸冲击毁伤效应的一种有效方法.

车内辐射噪声计算的非连续等几何边界元法

针对车内辐射噪声计算中几何和边界条件不连续的角点,连续等几何边界元法无法实现精准模拟,在角点处会有较大的计算误差问题,提出了一种非连续等几何边界元法.基于边界元中的“双节点”思想建立非连续单元,避免了法向量或变量值不连续的现象,解决了角点问题.利用非连续单元的特性将原包含强奇异积分的边界积分方程降为弱奇异,并使用并行技术加速计算.数值算例表明:与连续边界元和等几何边界元法相比,非连续等几何边界元法在计算精度和效率上均有显著提高.声压响应实验结果表明数值计算和实验结果高度一致,验证了该方法的正确性.

基于Burton-Miller边界元法的不同类型单元计算精度对比

为了提高边界元法的计算精度和对具有复杂边界形状实际问题的应用能力,发展并应用非连续线性和二次边界单元进行数值计算.使用传统边界积分方程计算外声场,通过带有解析解数值算例,对比不同类型单元的计算精度,得到最有效的单元类型.然而使用传统边界积分法,在某些虚假特征频率处会产生解的非唯一性问题,Burton-Miller方法可以有效地克服这一问题.基于Burton-Miller法得到的非连续线性和二次单元的优化节点位置并不在勒让德多项式零点位置上,虽然表现得不像传统边界元法那样规律和统一,但是合适的经验值仍然被给出.

基于CDEM的页岩甲烷原位燃爆压裂数值模拟

甲烷原位燃爆压裂是一种利用原位解析的甲烷气体作为爆源的页岩气储层改造方法。基于连续-非连续单元法(CDEM),结合朗道爆源模型和线弹性拉剪复合断裂本构建立甲烷燃爆压裂数值模型。针对页岩气储层开展直井甲烷燃爆压裂数值模拟,分析燃爆峰值压力、增压速率、初始最小主应力、应力差以及天然裂缝参数对燃爆裂缝扩展的影响。结果表明:甲烷燃爆压裂在井周形成复杂裂缝,随着峰值压力和增压速率的增大以及初始最小主应力的减小,燃爆裂缝扩展范围会增加,其中峰值压力的影响最显著;在应力差的影响下燃爆裂缝范围偏向最大主应力方向,且应力差越大这种偏差越明显;天然裂缝能够增强燃爆压裂效果,其分布密度越大、缝长越长、与最大主应力方向夹角越小,燃爆裂缝扩展范围越大。

基于连续-非连续元降雨工况三维边坡稳定性分析

基于连续-非连续单元方法,引入应力场和渗流场数值耦合算法。根据兰营地区边坡地质条件建立高精度三维地质灾害模型,考虑不同降雨工况,对边坡稳定性进行分析,并与监测数据展开对比验证模型可靠性。研究表明,该边坡天然工况下安全系数为1.79,短时强降雨工况下边坡安全系数约为1.20,边坡破裂度为10.36%。经稳定性评价,该边坡在天然工况下处于基本稳定状态,在暴雨状态下处于欠稳定状态,存在一定失稳危险。

甲烷原位燃爆压裂数值模拟研究

为了探究燃爆压裂裂缝的扩展规律,通过块体离散元与有限元结合的连续-非连续单元法建立甲烷燃爆冲击致裂数学模型。基于朗道爆源模型描述燃爆压力变化,利用线弹性-断裂本构模型描述岩石基质的力学行为。基于建立的燃爆压裂数值模型,进行了直井、水平井和层内的燃爆压裂数值模拟,分析了直井燃爆压裂的裂缝扩展规律以及段间距、燃爆段长、工艺方法等因素对水平井燃爆压裂裂缝扩展规律的影响以及层内从单级到多级燃爆的变化规律。结果表明:直井燃爆压裂产生多条径向裂缝;优选缝间距为5 m、适当增加燃爆段长、选择分步燃爆的压裂工艺,可以取得更大的破裂度和裂缝范围;层内多级燃爆压裂提高储层破裂度7%以上,破裂范围实现x方向增加2.68倍,y方向增加3.8倍,大幅度提高页岩气渗流能力。

混凝土细观断裂模拟及损伤演化表征

为定量表征混凝土破坏过程中裂纹扩展及损伤演化规律,借助激光扫描技术与骨料投放算法构建混凝土细观结构模型,结合室内试验,基于连续-非连续单元方法(continuous-discontinuous element method,CDEM)对数值混凝土切面细观模型进行单轴压缩数值模拟。结果表明:模拟所得应力-应变曲线及破坏模式与室内试验吻合较好;混凝土细观损伤演化过程表现为裂纹萌生、扩展、贯通、最终破坏的典型阶段特征,细观破裂度可揭示混凝土在破坏过程中的细观损伤演化规律;分形维数能够定量表征混凝土受压破裂过程中裂纹发展的复杂随机性,sigmoid型演化模型适用于描述混凝土单轴压缩裂纹分形维数的非线性演变过程。

基于混合方法的二维水力压裂数值模拟

水力压裂在页岩气开采中被广泛使用,采用数值方法研究压裂机理具有重要意义.基于连续-非连续单元法(CDEM)和中心型有限体积法(FVM),提出解决水力压裂流固耦合问题的二维混合数值计算模型.该混合模型中,使用CDEM求解应力场和裂缝扩展过程,使用FVM求解裂隙渗流场.应力场、裂缝扩展和渗流场均使用显式迭代求解,并通过相互之间数据交换实现流固耦合.通过与KGD理论模型进行对比,验证数值模型的正确性.通过与颗粒离散元数值结果进行对比,验证数值模型的有效性.通过计算复杂缝网压裂模型,研究水力压裂机理,并说明该数值模型在水力压裂模拟中具有很好的前景.

煤层自燃防治与高温爆破安全技术中的若干力学问题

煤层自燃已经是我国大规模煤矿开采不可回避的问题。在高温环境下的煤矿爆破开采,既涉及到爆破的高温环境也需要改进高温爆破技术,其中认识高温爆破中的工程规律,是解决高温爆破技术的关键。首先对煤层自燃的条件进行了量纲分析,说明了煤层中裂隙对流比热传导更容易诱发煤层自燃;煤体中的破裂场、气流场是煤层自燃的条件,单纯封堵裂缝隔绝空气的方法有短期效果,但地质体因煤层燃烧力学特性改变产生变形和破裂后,会死而复燃。讨论了井工开采诱发煤层自燃的机理以及相关科学问题,对井工开采分析了采空区上方冒落带、破裂带、沉降带与煤层自燃的关系,提出了地表长期封闭覆盖与自适应循环注水相结合的综合灭火方法。进而分析了露天矿开采高边坡稳定性与煤层自燃环境的关系,边坡开挖引起山体变形、开裂,形成破裂场是产生煤层自燃的基本要素。最后,分析了深孔爆破中,爆破技术可靠性中涉及的科学问题,介绍了利用循环水降温的方法。

基于降雨入渗概化模型的王家台滑坡岩土参数反演分析

中国是滑坡灾害的多发国家,其中降雨是诱发滑坡灾害的主要原因。由于地质体具有非连续、非均匀、流固耦合、未知初始状态等特点,仅依靠有限的钻孔数据无法准确给出滑坡体的渗流参数及岩土力学参数。为了实现降雨入渗作用下滑坡体参数的快速反演,提出了可快速分析降雨入渗诱发滑坡灾害的力学模型。该模型根据降雨量、地表径流量及地下径流量综合确定滑体中的饱和程度,进而根据饱和度来折减或增加滑体的强度。通过将该模型内嵌于连续-非连续单元法(continuum-discontinum element method,CDEM)中,并且结合遗传算法,实现了王家台滑坡岩土参数的反演分析,经过现场监测数据与数值模拟结果的优化对比,给出了适用于降雨入渗概化模型的王家台滑坡当前岩土参数。

含单一弱层岩石单轴压缩蠕变破裂演化规律

为探究不同工况下含软弱夹层岩石的蠕变破裂演化规律,基于连续-非连续单元方法(CDEM),采用理论分析和数值模拟方法研究恒载作用下含软弱夹层岩石的蠕变破裂演化规律,模拟了不同倾角、不同厚度及不同弱层力学特性的含弱层岩石蠕变演化全过程.研究结果表明:岩体蠕变受控于软弱夹层倾角的影响,随着弱层倾角的增加,岩石蠕变速率越快,进入加速蠕变阶段的时间越短;相同倾角时,弱层厚度越大,蠕变速率越慢,蠕变破坏时轴向应变也越小;含软弱夹层岩石的蠕变速率与软弱夹层的弹性模量大小成反比,软弱夹层材料弹性模量越小,岩体总体强度越小,岩石蠕变速率越快.

岩体强度对牙轮单齿作用下破碎坑的体积及形态影响研究

借助连续-非连续单元法(CDEM),对牙轮钻单齿压入破岩的机制进行了探讨,研究了加载过程中破碎体积及破碎坑的演化规律,分析了岩体凝聚力和内摩擦角对单齿破岩体积及破碎坑形态的影响。数值计算结果表明,破碎坑基本上呈半椭球体,其宽深比仅受内摩擦角控制,随着内摩擦角的增加,破碎坑的宽深比减小。破碎坑的宽度、深度及单齿破岩体积可用齿压F、钻齿半径r、凝聚力c及内摩擦角?表征,基于数值计算结果给出了破碎坑的宽度、深度及单齿破岩体积定量表述的公式;基于相关理论公式,考虑各个同时与岩石接触的几个齿轮对岩石的损伤是相互影响的,引入单齿破岩体积的修正系数,建立了牙轮钻的工作参数(轴压、转速、进尺速度等)与岩体凝聚力及内摩擦角的函数关系。在鞍千矿南采区进行了牙轮钻随钻测试的现场试验,获得了不同岩性下的单齿破岩体积,并就近取样测试了岩体的凝聚力及内摩擦角。当修正系数取0.363时,现场测试结果与基于数值计算得到的单齿破岩体积基本一致,从而证明了数值计算及相关理论推导的正确性。研究成果可以为岩体强度的动态测试提供依据。

双轮铣槽机铣削过程及截齿入岩顺序优化研究

双轮铣槽机(简称“双轮铣”)是地下连续墙的专业施工装备,布齿系统是其核心部件,其参数设计与破岩性能密切相关。基于连续-非连续单元法(CDEM),建立了铣轮铣削岩土体过程的三维仿真模拟方法。在此基础上,考虑自由面与铣削关联性等因素,对布齿系统截齿入岩顺序影响破岩性能机制进行了研究,建立了关联铣削条件下以预置相邻自由面数目为主要影响因素的入岩顺序数值概化模型。结果表明:(1)获得的铣轮铣削岩土体的铣削力与铣削深度曲线,验证了此数值模拟方法的正确性;(2)相比于完整岩体,具有单相邻预设自由面与双相邻预设自由面岩样的峰值荷载分别下降了32.5%与68.2%,破岩能耗分别下降了19.8%与56.6%;(3)布齿系统中双相邻预设自由面的截齿占总体截齿数目比值越大,布齿系统整体能耗越低,异构式布齿系统能耗低于顺序式。研究成果为完善双轮铣槽机破岩过程与布齿系统优化提供了基础。

贯入角度对截齿破岩性能与几何排布的影响研究

截齿贯入角度是双轮铣槽机布齿系统设计中的关键因素之一。基于连续-非连续单元法(CDEM),建立截齿不同角度冲击贯入破岩的数值模型,通过断裂能本构模型实现岩体弹性-损伤-断裂的破裂过程,开展截齿有效角度50°~90°区间内的9组冲击贯入破岩模拟,研究贯入角度对截齿破岩性能的影响规律,讨论贯入角度对截齿几何排布的影响,总结布齿系统的截齿几何排布规律。结果表明,当贯入角度从90°降低到50°时,岩体由张拉-拉剪破裂向剪切-拉剪破裂转变,截齿平均贯入力与破碎程度提高,截齿的跃进式侵入特性的显著性减低;贯入角度为75°~90°的第Ⅰ类截齿与小于55°的第Ⅲ类截齿在破岩中起辅助作用,贯入角度为55°~75°的第Ⅱ类截齿可在岩体内部产生范围较大的水平非贯通裂隙,在布齿系统破碎岩体过程中发挥主要作用;2个第Ⅱ类截齿先后贯入岩体可较好地破碎截线间的岩体,可构成一类基本破岩单元,多个基本破岩单元按照正弦线形式排布,由此形成了一种布齿系统设计方法。研究成果为完善双轮铣槽机布齿系统设计方法,打破国外在双轮铣槽机布齿系统设计方法上的技术壁垒提供了理论基础。

基于概率统计的土石混合体边坡可靠度分析方法

为确切描述边坡实际状态,更准确评估边坡稳定性,提出一种基于概率统计的边坡可靠度分析方法。该方法考虑土石混合体边坡平均强度的不确定性和强度在空间上的变异性,综合利用蒙特卡罗方法和连续非连续单元法（CDEM）计算评估边坡可靠程度;将坡体表面的相对位移量作为基本指标,从定性和定量2个方面确定边坡的失稳标准;通过分析一个典型的土石混合体边坡,获得边坡在不同强度分布和强度等级下的可靠度,并结合一个实例对文中方法的有效性进行验证。结果表明：边坡强度的分布特性对边坡的变形失稳结果有较大影响,利用基于概率统计的可靠度分析方法可建立边坡稳定性与岩土材料强度特性的关系。