卸荷条件下花岗岩破裂面粗糙度特征及成因分析试验研究

【目的】为探究工程岩体在高应力下加卸载过程中的断裂形貌变化及成因,【方法】以粗糙度作为描述形貌几何特征的重要参数,定量表征形貌变化,以拉剪比作为描述断裂特征的重要参数,定量表征断裂模式变化,选取两类花岗岩,开展加卸载力学试验,通过数字图像技术对破裂面粗糙度及成因进行分析。【结果】结果显示:在高应力卸荷条件下,初始围压、卸围压速率及矿物粒径均对花岗岩破裂面粗糙程度起负相关影响;超景深显微观察发现,粗糙程度越低的花岗岩,其断口出现剪切断裂占比越高;在围压卸荷破坏过程中,30 MPa围压卸荷,岩石破裂面以沿晶拉伸断裂为主,40 MPa围压卸荷,以沿晶和穿晶拉剪复合型断裂为主,50 MPa围压卸荷,以穿晶剪切断裂为主;随着矿物粒径和卸围压速率的增大,破裂面均呈现剪切断裂占比增加的趋势。【结论】结果表明,高围压卸荷下岩石破裂时张拉断裂占比越高,其破裂面越粗糙,相反剪切占比高,其破裂面粗糙度越低。

预埋吊件的拉剪耦合力学性能试验研究

在预制构件吊装施工过程中,预埋吊件起到了举足轻重的作用。随着对预埋吊件需求量的迅速增大,需对正在生产使用的预埋吊件的安全性能问题进行深入的研究,为了深入研究预埋吊件的拉剪耦合力学性能,选取了三类三种共18个预埋吊件,并将其设计成三组共9个混凝土试件进行拉剪耦合试验。通过对试验现象的分析可知,9个混凝土试件均发生了混凝土破坏,通过对试验数据和荷载-位移曲线进行处理分析,可计算出每个预埋吊件的极限承载力,验证了该试验方案的可行性;将试验数据代入三个规范中关于拉剪耦合的计算公式进行验算,结果表明美国规范ACI 318规定的计算方式在计算拉剪耦合作用力时更为安全。

端板攻丝高强度螺栓连接受力性能试验研究

对10.9S级M16、M20高强度螺栓和Q345B端板攻丝连接与传统高强度螺栓连接受力性能进行试验对比,研究了其在单向受拉、单向受剪以及拉-剪复合受力状态下的破坏形态、受力机理和极限承载能力。试验结果表明:单向受拉时,极限承载能力和变形与传统连接方式基本一致;单向受剪时,即使是厚径比为0.8的M20螺栓,仍可实现栓杆剪断,而端板攻丝孔内牙体无明显变形破坏且攻丝连接件形式早期滑移量明显较小;拉-剪复合受力时,随着拉剪比从0.58增大到1.73,破坏形态由剪切破坏转变为受拉破坏。因此,为确保端板攻丝牙体无明显破坏,应考虑螺栓与板厚的合理设计,建议M20螺栓在单向受拉和拉-剪复合受力时厚径比不小于0.9d,3种受力状态下高强度螺栓端板攻丝连接方式的承载力与传统连接方式基本一致。试验结果分析可为工程设计提供参考依据。

钢板混凝土剪力墙拉弯剪性能试验研究

超高层建筑“细柔”特征容易引起底部剪力墙在强震下处于拉-弯-剪复合受力状态,中国《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号)建议墙肢采用配置型钢/钢板的方式来改善该种抗震性能,但缺乏相关试验研究。为此,进行了6片钢板混凝土剪力墙的低周往复荷载试验,研究了轴拉比、含钢率及剪跨比对墙肢拉弯剪性能的影响。研究表明:拉弯剪作用引起钢板混凝土剪力墙密集的裂缝分布和显著的钢材强化,并导致其剪切-拉弯耦合破坏。轴拉比增大,墙肢承载力、初始抗侧刚度和延性分别降低22%、41%和39%;剪跨比减小,墙肢承载力和抗侧刚度至少提升23%;同时增大含钢率和降低剪跨比,墙肢延性提高10%。相比其他国家规范,中国规范对拉弯剪作用下钢板混凝土剪力墙的抗剪承载力预测效果更好,但其未能考虑高含钢率对裂面销栓力的影响,故建议采用暗柱的初始含钢率进行修正。

千米深井煤层水力压裂作用下裂隙应力场演化规律的数值模拟研究

为了掌握千米深井煤层水力压裂作用下煤体内部裂隙应力场演化规律,更科学地开展超千米矿井煤层水力压裂增透瓦斯综合治理工作,以平煤股份一矿超千米埋深的戊8-31240工作面为建模背景,采用RFPA-2D数值模拟软件,建立了煤体内部裂隙发育—应力场扰动数值模型,模拟得到了水力压裂作用下深部煤体内部裂隙应力场演化过程。研究结果表明,深部煤体内部在水力压裂作用下,首先由水流浸润煤体,微裂隙在压裂孔四周区域萌生,在孔左上、右上两侧区域形成“V”形主级宏观裂隙呈扇形继续扩展发育,然后在孔左下、右下两侧区域微裂隙贯通形成“Λ”形次级宏观裂隙,最后孔两侧主、次级宏观裂隙贯通,呈现“X”形裂隙扩展主导压裂,并产生更多微裂隙,使深部煤体受水力压裂的影响范围不断扩大;深部煤体水力压裂开始阶段,内部破坏向压裂孔四周随机发生,随着压裂压力升高,煤体破坏开始向压裂孔上下区域延伸,但远小于向压裂孔两侧破坏速度,煤体破坏更多集中在煤层上部,表明水力压裂将会对煤层顶板造成较大冲击;深部煤体受水力压裂作用,条带状剪应力、块状拉应力主要集中在裂隙的尖端附近区域,剪应力从13.5 MPa卸压到1.1 MPa,卸压降幅91%,而拉应力从11.0 MPa卸压到2.2 MPa,卸压降幅80.0%,其拉应力卸压效果要小于剪应力的卸压效果,随着压裂的裂隙向煤体深部延伸转移,最终在单个压裂孔前后25 m范围区域形成剪—拉双重作用卸压区,使地应力得到释放,大大提高了深部煤体的透气性。数值模拟研究可为千米矿井深部煤层水力压裂技术工艺参数优化实施提供一定参考。

某树状高层建筑结构设计和分析的若干关键技术问题

主要针对某树状高层建筑在结构设计和分析过程中遇到的建筑大悬挑方案的结构实现、竖向力传力路径分析、抗连续倒塌分析、关键构件性能化设计、楼面体系抗拉承载力分析、节点详细有限元分析等关键技术问题进行了分析和研究,与此同时,也对结构的抗风设计、南北侧双核心筒的设置、局部墙体的偏拉、重力二阶效应等技术问题进行了展开并提供了解决方案。结果表明虽该高层建筑存在体型复杂、大悬挑、平面形状不规则、核心筒偏置等难点,但是通过合理的平面和竖向布置,辅之以详尽的结构分析能够保证结构的安全性。尤其是在通过局部斜撑转换较好地实现建筑大悬挑效果的同时,也能够很好地实现竖向荷载的可靠、直接和简洁的传递,分别从依次拆除斜撑和一次性拆除斜撑两个工况进行了抗连续倒塌分析,从完全不考虑楼板作用和考虑后浇相关层楼板的施工模拟两个角度来复核楼面体系的抗拉承载力,对梁-撑转换节点进行了精细化有限元分析等,最终通过进一步验算保证其在不同水准地震作用下仍能很好地满足预定的性能化设计目标。

新建桩基对非连续模型下的盾构管片影响研究

基于非线性接触理论,在管片间简化设置挤压与摩擦关系模拟管片接头结构,依据贵阳市清溪路—花冠路节点改造工程,建立了非连续接触双线盾构平面应变模型,在盾构隧道两线内侧桩基净距不变的情况下,通过改变两线外侧桩基净距,对桩基施工与承载阶段对既有盾构隧道管片的影响进行了分析。研究结果表明:使用简化的非连续模型能够模拟出管片间的变形错动。桩基承载阶段,竖向与水平的最大变形分别在拱顶与拱腰处。管片间的法向压力在桩基施工时先减小后增加,在桩基承载后达到最大;管片间最大与最小主应力随桩基净距的增加而减小;管片接头处存在应力集中现象,表现为近两线外侧桩基处的拱腰受拉压,且应力值最大,拱顶、拱底、两侧拱腰仍然是应力分布的最主要区域。桩基施工阶段是管片间剪应力增加的主要阶段,当净距大于3.0 m后对剪应力影响较小。实际施工时建议桩基净距保持在3.0 m及以上的距离。

失效铝合金平底无铆连接接头的原位固相修复方法

为了修复失效平底无铆连接接头并提高其力学性能,提出一种原位固相修复方法。通过对比研究平底无铆连接接头和修复接头的显微组织、力学性能和断裂失效行为,验证修复方法的可行性和有效性。结果表明,失效平底无铆连接接头的断裂颈部被成功地原位修复。焊核的显微组织被充分细化,使得修复接头的力学性能得到提升。转速和持续加热时间对修复接头的力学性能起着至关重要的作用。与平底无铆连接接头相比,冶金结合使修复接头的力学性能得到加强。修复接头的最大拉剪强度提高了409.90%,最大断裂伸长量提高了68.92%。断裂失效行为表明,修复接头的强度明显高于原始平底无铆连接接头,这说明失效平底无铆连接接头的修复方法是可行有效的。

楔刀不同加载速率条件下细砂岩裂纹扩展研究

为提高西部竖井钻井法楔齿滚刀钻进细砂岩的破岩效率,开展西部弱胶结砂岩XRD与SEM试验,微观结构验证PFC2D模拟试验细观参数标定结果,探讨不同加载速度工况下弱胶结砂岩拉、剪裂纹形成,破岩阻力变化及破岩机理、破岩效率。研究结果表明:胶结物是加卸载段生成的微宏观裂纹萌生、扩展的通道,贯入速率超过0.01 m/min以上,将导致更大的动力效应、更大的应力集中(楔刀贯入)和应力波(密实核应力膨胀)传播,岩石内部的应力集中区域扩展,产生部分无效裂纹。贯入速率0.02 m/min平均贯入力是贯入速率0.01 m/min平均贯入力的1.64倍;贯入速率为0.01 m/min时取得最小胶结破坏比能耗,与可可盖矿中央回风立井施工现场钻进速率非常吻合。研究结果可为西部弱胶结砂岩楔齿滚刀破岩提供参考。

不锈钢螺栓端板攻丝连接受力性能试验研究

对304D不锈钢螺栓和QN1701端板攻丝连接与传统不锈钢螺栓连接的受力性能进行对比试验,研究单向受拉、单向受剪以及拉-剪复合受力状态下连接的破坏形态、受力机理和极限承载能力。试验结果表明:单向受拉时,不锈钢螺栓端板攻丝连接的极限承载力和变形与传统连接方式基本一致,但为避免发生垫片引起的连接失效,连接件开孔不应过大,且不应使用空腔墩头螺栓;单向受剪时,即使最小厚径比为0.67时,仍能满足栓杆剪断而攻丝板牙体无明显变形的破坏形态要求,考虑到试件表面未经处理,摩擦力失效快,不适用于摩擦型连接设计;拉-剪复合受力时,攻丝端板连接形式早期滑移量明显较小,极限承载力略有降低。为此,在确保牙体无明显破坏时,3种受力状态下不锈钢螺栓端板攻丝连接在承载力方面与传统连接方式基本一致,可参考现行规范进行设计;同时在受剪和拉-剪复合受力状态时,端板攻丝连接的早期滑移量明显偏小,更适用于实际工程。

拉剪复合作用下高强钢T型连接高温力学性能的数值与理论研究

为研究火灾下考虑附加轴力作用的高强钢T型连接的力学性能,在高温火灾试验的基础上采用有限元分析软件ABAQUS对高强钢T型连接进行数值分析,得到附加轴力作用下高强钢T型连接在火灾下的初始刚度、抗拉承载力、失效模式等,并与试验结果进行对比,校验了数值模型的有效性与准确性.而后,采用经验证的有限元模型进行数值分析,研究了不同拉剪复合作用下高强钢T型连接在火灾下的力学性能,研究发现:随着剪拉比的增大,T型连接的抗拉承载力和极限位移会显著下降,螺栓成为高强钢T型连接在拉剪复合作用下承载的关键.最后,结合《钢结构设计标准》对火灾下T型连接中高强螺栓受到的拉力与剪力的关系式进行理论推导,并与有限元模拟结果和试验结果进行对比分析,验证了所提出的关系式有较好的适用性,且能较为准确地预测火灾下螺栓的抗拉承载力.

重复剪切对含油泡沫性质影响规律研究

多孔介质中,含油泡沫处于破裂与再生的动态平衡。利用Waring Blender法对原油与两性离子表面活性剂(RC)溶液进行重复剪切模拟含油泡沫再生,深入研究RC溶液与不同含量原油(0∼60%)作用后,溶液性质及其再生泡沫起泡能力与稳定性的变化规律。结果表明,RC分子在油相及油水界面分配令起泡体系中的RC质量分数显著下降(最大降幅达到72%),原油在RC胶束中增溶令液膜稳定性明显减弱,两者共同作用下,RC溶液的再生泡沫性能严重受损。含油量40%以内,随含油量增加,一次剪切含油泡沫的析液半衰期不断延长直至无油泡沫的2.4倍,而二次剪切含油泡沫的析液半衰期持续降低直至无油泡沫的27%。二次剪切时,由于油水界面张力降低造成油相被乳化为大量小尺寸油滴,无法阻碍排液且易随水相析出,液膜内油量减少,二次剪切含油泡沫的泡沫半衰期与一次剪切含油泡沫相差较小。研究有助于进一步认识含油泡沫的再生行为,并对耐油起泡体系的构建具有积极意义。

长壁工作面采动覆岩层理开裂机理及侧向裂隙发育规律

长壁开采煤层覆岩下沉变形过程中,岩层内部形成弯曲应力,并可能沿抗拉和抗剪强度较小的层理开裂形成侧向导水通道。针对相邻采空区积水侧向渗漏引起的工作面突水问题,研究了长壁开采覆岩层理开裂机理,分析了侧向裂隙发育规律。首先基于Winkler弹性地基梁理论建立采动覆岩弯曲下沉挠度方程,考虑煤柱和采空区上覆岩层不同支承压力与破坏程度确定对应的上覆载荷和地基系数,给出各层位岩层的下沉、转角、弯矩和剪力曲线计算公式。在此基础上,将采动覆岩层理裂隙分为张拉离层裂隙和剪切错动裂隙,并根据岩层非同步弯曲下沉特征与组合梁理论计算岩层内部弯曲应力分布情况,提出了张拉离层裂隙和剪切错动裂隙发育判断依据,给出了覆岩任意层理面上侧向裂隙发育位置、长度和隙宽等参数的计算方法。最后以凌志达煤矿15102工作面工程地质条件为依据,计算了上覆各岩层的挠度曲线和弯曲应力分布,分析了采动覆岩层理裂隙发育规律。结果表明,15102工作面在区段煤柱上方发育有超过50 m的剪切错动裂隙,超过了15101和15102工作面之间区段煤柱最大宽度;采空区边界上覆岩层中剪切错动裂隙和张拉离层裂隙共同发育;采空区中部上覆岩层中主要为张拉离层裂隙。采用钻孔窥视法探测了15101工作面采动侧向裂隙发育情况,对比验证了理论计算结果。根据研究结果确定沿层理发育的侧向裂隙是15101采空区积水侧向渗漏的主要导水通道。据此针对15102回采巷道制定超前钻孔注浆和滞后钻孔注浆措施,以及15101采空区积水疏排措施,从而有效减少了15102工作面回采巷道顶板淋水量,保证了巷道正常掘进和工作面安全开采。

固体推进剂拉剪复合加载夹具设计及试验验证

为了研究固体推进剂在拉剪复合加载下的力学性能,设计了基于单轴拉伸试验机的拉剪复合加载夹具和试件。此夹具基于Arcan夹具进行改进,采用模块化设计,可兼容不同拉伸试验机,适用于多种加载角度加载;拉剪试件无需开孔,可直接夹持。根据所设计的夹具和试件,开展了单轴拉伸、纯剪切和拉剪试验研究,并将试验结果与有限元仿真结果进行了对比。研究表明,在不同加载条件下试件的极限载荷存在明显的差别,单轴拉伸试件的极限载荷最大,45°拉剪试件的极限载荷次之,纯剪切试件的极限载荷最小;试件的起裂方向也存在不同,单轴拉伸试件的起裂方向与试件轴线方向垂直,纯剪切试件和拉剪试件的起裂方向分别与试件轴线方向成45°和24.5°。所设计的夹具能有效完成不同加载角下的拉剪试验,试验结果与仿真分析结果吻合良好。

变开缝长自复位剪力墙截面设计及抗震性能

为研究不同开缝长度下自复位剪力墙的抗震性能,对自复位剪力墙截面进行受力分析,量化不同开缝长度下墙体理论承载力.基于四水准中第三水准下的性能目标,对自复位剪力墙进行截面设计,并与已有试验结果及不同开缝长自复位剪力墙的静力弹塑性结果进行比较验证.结果表明:理论推导的承载力表达式与已有试验及有限元结果均吻合良好;随着开缝长度增加,墙体自复位能力增强,耗能能力减弱;开缝长度系数为0.2~0.3能满足残余位移角限值,同时保持较好的耗能能力.

混凝土受拉边倾斜变截面梁受剪承载力数值分析

为研究混凝土受拉边倾斜变截面梁在集中荷载下的抗剪性能,首先,根据目前主流混凝土等截面梁受剪承载力模型,归纳了中国建筑科学研究院有限公司和Gulsan的试验中变截面梁临界斜裂缝的特点;其次,为克服有限元程序在模拟裂缝上的不足,建立了受拉边倾斜变截面梁的预设斜裂缝有限元模型,并对变截面梁的受剪破坏过程进行了模拟分析;然后,通过分析在极限荷载时临界截面上的应力状态规律,提出了受剪承载力模型假定,采用临界截面上的受压区混凝土剪压破坏准则,建立了受剪承载力计算方法;最后,收集了国内外40根变截面梁受剪试验数据,与本文方法、我国规范方法、Gulsan方法的预测值进行了统计分析.结果表明本文方法的计算精度更高,可为工程实践和规范修订提供参考.

拉剪复合作用下钢-混凝土组合梁高强螺栓连接件的力学性能研究

为了探究钢-混凝土组合梁高强螺栓连接件在拉剪复合作用下的承载性能,采用ABAQUS有限元软件建立了推出试件有限元模型,并通过与试验结果对比验证了数值模拟的可靠性。探讨了拉拔力荷载、螺栓预拉力、混凝土强度、螺栓预留孔隙和摩擦系数等参数对极限抗剪承载力、极限滑移和滑移后刚度的影响。分析结果表明:高强螺栓连接件的抗剪承载力随着拉拔力荷载的增大而减小,随着螺栓预拉力、混凝土强度和摩擦系数的增大而提高,预留孔隙对抗剪承载力影响较小,但对刚度影响较大。提出螺栓抗拉剪共同作用承载力计算公式,在拉剪共同作用极限状态下,剪力施力比随拉力施力比的增加而减小,二者呈线性负相关关系。

干纤维自动铺放参数对复合材料剪切性能的影响

为了研究自动铺放过程中干纤维工艺参数对复合材料剪切性能的影响,分析了不同干纤维铺放工艺参数对层合板样件层间剪切性能的影响.结果表明:在给定参数范围内,丝束张力对剪切性能的影响最大;随着丝束张力的增大,纤维展平效果得到提升,剪切性能增强;而随着丝束张力的继续增加,纤维断裂几率增大,剪切性能降低.结合正交试验L9(3^(3))方法确定优选的铺放工艺参数为:丝束张力4 N,压紧力200 N,铺放速度100 mm/s,此时复合材料试件的剪切性能得到明显提升.

拉剪作用下椭圆孔洞砂岩力学及破坏特征模拟研究

受地质环境和工程扰动的影响,椭圆孔洞缺陷广泛赋存在工程岩体中,开挖卸荷会使部分岩体产生回弹拉应力,在孔洞缺陷的影响下形成拉剪应力区,诱导岩体的拉剪破坏,导致工程岩体的稳定性大幅度降低。为研究椭圆孔洞岩体在拉剪作用下的力学特性和变形破坏规律,基于室内岩石力学试验结果,采用颗粒流程序建立数值模型,对不同孔洞倾角α、长短轴之比k下的孔洞岩体进行了拉剪数值试验,并结合应力张量揭示了裂纹演化的细观机理。结果表明:当k不变时,随着α的增加,剪切强度在低法向拉应力下(1~3 MPa)近似呈“W”型变化规律,在α为120°或150°取得最小值,在α为90°取得最大值;剪切强度在高法向拉应力下(4~6 MPa)呈先增大后减小的变化趋势,分别在α为0°和90°时取得最小值和最大值。当α不变时,对于α为非90°的孔洞岩体,剪切强度随k的增大呈非线性下降。孔洞的应力集中程度对法向拉应力的敏感性随α的增大而先减小后增大,α为0°时,敏感性最高,α为90°时,敏感性最低,α为120°和150°时的敏感性高于α为30°和60°时的敏感性,孔洞岩体的强度相较于完整岩体有明显的劣化且劣化程度与法向拉应力呈正相关。裂纹起裂应力水平随法向拉应力的增大而增大,起裂角随法向拉应力的增大而减小。孔洞岩体在拉剪作用下的破坏形式为反翼裂纹贯通导致的拉伸破坏,拉剪作用下岩体内部拉应力和压应力耦合形成最大受拉区,最大受拉区靠近剪切加载面一侧的边界为裂纹的扩展路径,裂纹由孔洞处的塑性屈服而起裂,裂纹起裂后,颗粒接触断裂造成应力的释放与重分布,裂纹再次沿重分布后的最大主应力方向扩展,宏观上表现为裂纹的非线性扩展模式。

基于改进Faster RCNN的岩石热红外图像张剪裂纹检测

区分岩石破裂模式对矿山灾害防治具有重要意义,为了能够有效识别岩石破裂模式、监测破坏过程,提出了一种基于改进Faster RCNN的岩石热红外图像张剪裂纹检测算法。首先开展花岗岩单轴压缩试验,使用红外热像仪获取岩石破裂过程中的热红外图像,制作岩石红外裂隙数据集;然后对Faster RCNN网络模型进行改进,通过引入注意力引导的上下文特征金字塔网络对特征提取方法进行优化,采用级联结构提升检测框回归准确度,同时使用岩石红外裂隙数据集对模型进行训练及验证;最后对实测岩石红外图像进行张剪裂纹识别。试验结果表明:该算法检测精度达到了94.15%,每秒检测帧数为19.27 fps,综合性能得到显著提升,研究结果可为预测岩石破裂位置及破裂模式提供一种思路。