中深层煤炭地下气化的气化腔安全宽度计算方法

煤炭地下气化是目前温度最高(超过1200℃)的化石能源非常规开发方式,中深层(本文指埋深800~1500 m)煤炭地下气化在提高气化压力、降低地质安全风险方面优势明显,科学预测气化腔安全宽度对保障气化稳定运行十分重要,由于目前基于可控注入点后退(CRIP)工艺的气化腔安全宽度计算方法尚未建立,为保证现场试验顺利实施,需要开展针对性研究。气化腔顶板“裸露”在气化腔后会受到高温影响,通过数值模拟方法研究了压应力约束条件下岩石内部热应力产生位置以及颗粒、基质热膨胀系数差异对热应力大小的影响规律,结合高温处理后的岩石电镜扫描结果,查明了高温下岩石热损伤机理。根据CRIP气化工艺造腔特点,建立了考虑高温影响的气化腔顶板薄板模型,结合“关键层”理论提出了气化腔安全宽度计算方法。研究表明:岩石热损伤是岩石物理化学反应与热应力互相促进、共同作用的结果,高温下岩石发生不规则变形,岩石热损伤引起的微观结构变化是导致岩石力学性质、物理性质变化的根本原因。岩石的最大拉张热应力出现在颗粒界面或热膨胀系数较小的颗粒中,颗粒与基质热膨胀系数比值在[0.01~1)时,最大拉张热应力随颗粒热膨胀系数减小而快速增加。泥岩加热到200℃时开始出现微裂隙;加热到400℃时裂隙发育更加明显,主要是沿颗粒边缘破裂;加热到600~800℃时,裂隙数量增多、尺寸变大;加热到1000℃时,除出现较大裂隙外,还产生了大量孔隙;1200℃时裂隙连通性明显增加,气孔发育较大。由于高温的影响,薄板模型的步距准数不再是定值,需要根据气化腔顶板热破坏范围与顶板硬岩层的空间位置关系确定具体数值。气化腔安全宽度受温度影响,在研究算例中,砂岩顶板在35、1000℃时安全宽度计算结果分别为34.3 m和14.1 m,相差达58.9%,泥岩顶板在35、1000℃时安全宽度计算结果分别为16.7 m和15.9 m,相差4.8%。最后从降低顶板垮落风险、有利于气化控制角度,提出了煤层纵向靶区位置的确定方法,当煤层厚度超过气化腔安全宽度一半时,建议将水平井纵向靶区设计在距离煤顶不超过气化腔安全宽度一半的位置。

含裂纹固体推进剂试件抗拉强度的预估

为预估含中心穿透型裂纹固体推进剂试样的抗拉强度,修正了固有缺陷模型(IFM)和应力断裂准则模型,包括点应力准则(PSC)和平均应力准则(ASC),建立了不同模型的断裂强度方程。通过修正的双参数断裂判据建立了特征尺寸与极限断裂强度的关系,采用固体推进剂断裂试验对模型进行了验证。结果表明,该模型的预估结果与试验结果相近。IFM、PSC和ASC都可以用于预估含裂纹推进剂试样的抗拉强度。

多轴应力状态下混凝土的动态强度准则

为了解复杂应力状态下混凝土动态强度变化规律,提出了一个考虑应变率效应的八面体应力空间的多轴静动破坏准则.该准则的空间破坏包络曲面采用二次函数形式,在偏平面上的破坏包络线采用Willam-Warnke模型在偏平面上的椭圆曲线,使用特征应力点法对拉压子午线方程进行修正以考虑偏平面上罗德角对动态强度的影响.通过对大量混凝土多轴静动强度试验成果的分析,表明此强度准则与已有的试验结果吻合较好,能很好地反映平面应力或三轴应力状态下普通混凝土的静动强度变化规律,并且形式简单,便于实际应用.

基于点应力破坏准则的含圆孔树脂基正交各向异性板的强度计算

对于实际工程中常见的含孔结构,建立利用保角映射原理对含圆孔树脂基复合材料板的孔边应力进行准确分析的方法,采用所给出的方法可以得到孔边在板边外荷载作用下的应力分布,然后采用点应力破坏准则对板进行全面的强度校核。文中不仅对带有圆形孔的复合材料板,在拉应力作用情况下的孔边应力场进行了计算,而且对外荷载、孔口尺寸、某点距孔边的距离以及材料性质等因素对应力的影响进行了较为全面的仿真分析。

不同骨料体积率的轻混凝土损伤-断裂分析

利用三点弯曲梁试验,对不同骨料体积率的轻骨料混凝土进行了断裂试验研究;同时,将混凝土损伤模块和随机骨料投放模块植入基于耦合判据(Coupled Criterion)的有限断裂模型中,首次应用于轻骨料混凝土断裂的数值模拟中。结果表明:该模型能够有效的模拟荷载-位移曲线的全过程,并且同时描述材料的损伤和断裂,同时预测裂纹的萌生与传播;通过能量分析,得出损伤能与断裂能随轻骨料体积率变化的规律。

大骨料混凝土在不连续点处应力和变形研究

通过试验研究大骨料三级配混凝土与其湿筛二级配混凝土在双轴受力状态下的特性,比较了二者于双轴拉压受力情况下在不连续点处的强度和变形特性,并给出了破坏准则.三级配混凝土的最大骨料尺寸为80 mm,试件最小横向尺寸为250 mm;湿筛混凝土的最大骨料尺寸为40 mm,试件最小横向尺寸为150 mm.描述了试件设计、材料配比、加载设备、减摩措施.通过对试验结果的分析看出,不论混凝土试件的骨料和尺寸大小如何,其不连续点处的两轴应力包络线都是相似的,并都可近似于一直线.混凝土在不连续点处的拉应变值与其平均应力具有较高的相关性.

复杂应力状态断裂判据的讨论

结合对脆性材料常规破坏试验结果的分析 ,修正了脆性断裂强度条件 ,将新的强度条件用于解决复合型裂纹的断裂问题 ,认为应力三维度极大值处对应于裂纹的启裂位置 ,裂纹的启裂方向则与该处的最大拉应力方向有关。给出了一个新的复合型断裂判据 。

T应力对半圆盘岩石试件裂纹断裂及扩展机理研究

为将常规的最大周向应力扩展准则与考虑T应力的修正最大周向应力准则的理论预测结果及试验测试结果进行对比,验证笔者建立的修正最大周向应力裂纹扩展准则的准确性,得到T应力对断裂韧性及裂纹扩展规律的影响,采用三点弯曲半圆盘试件,通过改变预制裂纹方向,对Ⅰ-Ⅱ复合型断裂韧性和裂纹起始扩展角进行了研究。研究结果表明:当考虑T应力后,纯Ⅰ型裂纹扩展角不再保持为0,裂纹扩展方向发生偏折;关于Ⅰ-Ⅱ复合型断裂而言,当T应力为正时,材料抵抗裂纹继续扩展的能力增强,断裂强度增大;当T应力为负时,材料抵抗裂纹继续扩展的能力减弱,断裂韧性会减小。T应力对裂纹起裂角及临界应力强度因子的影响是不可忽略的,尤其是对Ⅱ型断裂影响更为显著,GMTS准则能够更好的预测岩石复合型裂纹初始扩展角及断裂韧性。

基于统一强度理论的轻骨料混凝土多轴强度准则

试验结果表明轻骨料混凝土在高压应力状态下具有平台流塑现象,并且其极限强度面与静水应力轴有两个交点,这与普通混凝土极限强度面为开口的结论是截然不同的,因此那些针对普通混凝土建立起来的强度准则直接应用于轻骨料混凝土是行不通的。采用俞茂宏教授提出的统一强度理论,考虑轻骨料混凝土高压应力状态下的强度特性,建立了基于统一强度理论的多轴强度准则。通过几个特征试验点就能够得出强度准则的表达式,形式简单,便于实际应用。

三点弯曲工况下复合材料层合板的应力变化

为研究三点弯曲工况下复合材料层合板的应力问题,基于连续介质损伤力学以及Hashin失效准则,建立复合材料层合板三点弯曲有限元模型。模拟三点弯曲成形过程,讨论成形过程中应力分布及变化规律。结果表明:0°铺层应力值始终高于90°铺层,下表面的应力值小于上表面,但下表面的应力值达到最大值的时间要早于上表面;沿X轴方向,越接近压头位置,上下表面的应力差越小,在板料端部上下表面应力值相等;沿Y轴方向,上下表面的应力值变化幅度较小,上下表面的应力差基本保持不变。

双轴载荷下复合材料开口强度分析与试验方法研究

对于复合材料在双轴载荷下的开口强度分析,目前缺少经过验证的分析方法和标准的试验方法。本文主要针对T800级碳纤维复合材料层合板开口结构,开展双轴载荷下复合材料开口强度分析与试验方法研究。结果表明,解析法与有限元法计算结果一致性良好,通过采用“十字型”复合材料开口试验件进行双轴载荷试验,可有效验证有限元模型及“点应力”失效分析方法。

基于Ottosen模型的混凝土多轴动态强度准则

由于混凝土材料的率敏感特性,不同应变率水平下混凝土结构的承载力、刚度具有不同的变化机理。在地震作用下,除了考虑混凝土结构承受的复杂应力之外,应变率也是分析混凝土动态强度变化规律不可忽略的因素,若依然使用单轴拉、压、剪强度理论对工程进行设计和计算,可能会对大型结构的建设和使用带来危险。基于Ottosen静态强度准则模型,结合大量不同强度等级混凝土多轴静、动强度试验结果,建立了一种考虑应变率效应和混凝土强度等级两个因素的混凝土多轴动态强度准则。分析表明该强度准则符合混凝土破坏曲面连续、光滑、外凸等要求,能较好地反映普通混凝土的多轴动态强度变化规律,而且只需要通过几个特征点就能得到,形式简单,便于实际工程应用。

基于应力判据法适宜性分析的隧道施工期岩爆预测研究

采用现场测试结合理论研究的方法对九岭山隧道进行岩爆预测。九岭山隧道穿越地层主要为花岗岩硬脆性岩浆岩,最大埋深约为862 m。基于应力解除法对洞壁进行二次应力测试以及点荷载试验。现场测试得出:九岭山隧道已开挖断面DK1687+240的洞壁切向应力为41. 36 MPa,岩石单轴抗压强度为106. 38 MPa,将不同判据得出的结果与实际情况进行对比,认为王元汉和王兰生的判据符合九岭山隧道的实际情况,并据此判断九岭山隧道未开挖段DK1687+260～DK1687+500为轻微岩爆区域。

蒙华铁路九岭山隧道施工期岩爆预测研究

为保障九岭山隧道施工安全,准确预测掌子面前方未开挖段的岩爆发生状况,采用理论与实测相结合研究手段,对隧道的岩爆发生状况进行了预测。通过岩爆预测并结合已开挖段的岩爆发生情况,得出卢森、王元汉、王兰生判据的结论更适合九岭山隧道的实际情况。基于应力解除法的二次应力测试和基于应力判据法的岩爆预测准确性也得到了验证,得出九岭山隧道未开挖段DK1689+140^+450为中等岩爆区域。

水工混凝土边切槽三点弯数值模拟研究

为探究水工混凝土边切槽试件三点弯裂纹扩展规律,基于最大拉应力准则(MTS),对不同倾角下的水工混凝土边切槽试件三点弯曲进行数值模拟研究,得到了裂纹扩展过程、裂纹前缘应力强度因子分布以及裂纹尖端的扩展长度随扩展步的变化,并将数值模拟结果与室内试验进行对比,验证了数值模拟的合理性。计算结果表明:①最大拉应力准则及M积分在岩石裂纹扩展中的优越性得以体现,可以解决岩石三维断裂问题,计算结果可靠;②预制裂纹的角度越大,Ⅱ型分量也就越大,翼裂纹与原预制裂纹的夹角也越大;③应力强度因子呈现预制裂纹中间数值较大而靠近试件表面较小的规律,预制裂纹倾角越大,Ⅰ型应力强度因子越大,而Ⅱ型应力强度因子呈现先增大后减小的规律;④裂纹前缘的扩展长度随扩展步呈现线性增大的趋势,Ⅱ型分量越大,裂纹的扩展速率越慢,Ⅰ型的裂纹扩展的速率最快。

一种考虑主应力空间特性的岩石强度准则

基于现有岩石材料的主应力空间破坏曲面特征理论和试验结果,针对传统强度准则参数多且物理意义不明确的问题,通过分析常规三轴抗压强度曲线在双向等拉应力点(0,σtt,σtt)的变化特点,提出强度曲线在双向等拉应力点存在d(σ1-σ3)/dσm=3的观点,同时建立含双向等拉强度σtt和三向等拉强度σttt这2个参数的双曲线型强度准则,该强度准则同时考虑了平均应力效应对子午线和π平面上强度曲线的影响,参数物理意义明确。为验证其合理性与适用性,利用该强度准则对以往研究中的14种岩石三轴试验数据进行拟合计算,并与拟合精度较高的Burzynski抛物线准则和尤明庆指数准则进行对比分析。结果表明,不论是针对常规三轴还是真三轴试验数据,该准则拟合效果都比较好,相关系数均在0.99以上,且拟合得出的双向等拉强度σtt和三向等拉强度σttt大小在合理范围内;同时,不同约束条件下的拟合结果也印证了在双向等拉应力点(0,σtt,σtt)存在d(σ1-σ3)/dσm=3的观点。说明该准则的合理性与适用性较好,可为岩石工程领域提供一定的实践指导价值。

用U形切槽梁同时测定准脆性材料的拉伸强度和断裂韧度:理论分析

对于三点弯曲U形切槽梁二等分线上的张开应力,如果用Creager和Paris的经典近似公式计算,则其适用范围很小;而用我们修正的公式计算,其适用范围几乎函盖U形切槽二等分线上整个拉伸区。由张开应力在U形切槽二等分线断裂过程区长度上积分,然后除以该长度得到平均张开应力;当其达到临界值时就得到包含拉伸强度和断裂韧度两个材料参数的平均应力破坏准则;利用这一准则提出用三点弯曲U形切槽梁同时测定这两个材料参数的新方法。因此,只要在实验时,制作一系列切槽深度相等而根部曲率半径不同的待测准脆性材料的U形切槽梁,用三点弯曲加载并分别测得其临界荷载,在已知应力集中系数的情况下,应用平均应力破坏准则就得到一超定方程组,再用恰当的数值方法便可解出拉伸强度和断裂韧度两个未知数。

加载路径和温度对NiTi合金相变特性的影响

利用MTS装置,对NiTi形状记忆合金在不同加载路径（拉、压、扭以及拉/压-扭比例加载）和不同温度（28~150℃）下的准静态相变行为进行了较系统的实验研究。结果表明,材料呈现明显的伪弹性效应和拉压不对称性。随着温度的升高,相变起始应力逐渐增大,伪弹性效应和拉压不对称性逐渐减弱。当温度达到一定阈值时,拉压不对称性消失,材料基本呈现弹塑性状态。通过实验曲线确定了NiTi合金的相变临界参数,在σ-τ应力空间中对三种常用宏观相变临界准则进行了讨论,比较了它们各自的适用性。