基于超星学习通的工程流体力学课程混合式教学改革研究——以中国矿业大学(北京)土木工程专业为例

依托超星学习通平台,根据数字化转型背景下土木工程专业人才培养特点和课程特点,以学生线上自主学习、教师课堂引导、学生学习成果分享、实验验证和实验探索为主要手段,加强过程化、数字化考评,提出了有侧重、深层次、多手段优势互补和聚焦产出的新形态混合式教学模式,并应用到工程流体力学的教学实践中。该模式针对不同教学专题采用不同教学方法,同一教学专题针对课前、课中、课后3个阶段采用多种教学手段,以期为基于产出导向的教学大纲、教案设计和相关课程改革提供参考。

深部采矿岩石力学进展

随着煤炭开采日益向深部发展,深部采矿引发的围岩大变形破坏和强冲击动力灾害日益严峻。在深部高地应力、高地温、高渗透压、强采动、强流变及多场耦合的复杂地质力学环境下,深部采场的应力场特征、煤岩体破碎性质、岩层移动及能量的积聚释放规律等均发生了显著变化。针对深部采矿中的岩石力学问题,论述了笔者及团队在深部采煤方法、深部巷道破坏机理与围岩控制、深井热害与地热利用三大方向取得的进展,主要包括:(1)提出了平衡开采理论和实现平衡开采的110/N00工法,进行了千米深井现场工程应用;(2)构建了深部“非均压建井”模式,研发了实现深井稳定提升的SAP系统,形成了可大幅简化井巷工程量和提高矿井采出率的建井方法;(3)研发了多套适用于研究深部岩体在水、高温、高压、结构效应及多场耦合作用下发生宏观破坏的实验系统和可进行微观层面演算的超算系统,揭示了深部软岩大变形破坏机理及多尺度力学特性;(4)研制了深部岩体冲击型和应变型岩爆实验系统,阐述了深部岩体冲击能量沿开挖临空面瞬间释放的非线性动力学行为;(5)提出了深部巷道开挖补偿支护理论,进一步发展了具有高恒阻、高延伸率、强吸能和耐冲击超常力学特性的NPR支护材料和技术;(6)研发了模拟深部高温、高湿和高压环境下的岩体热力学实验系统,提出了热害治理和热能资源化利用方法,建立了深部热害治理与热能综合利用系统(HEMS)。相关研究成果已在深部开采领域得以应用,可为深部采矿面临的复杂岩石力学问题提供借鉴。

抗冲击地压复合夹芯组合板的静、动态力学性能研究

基于吸能防冲的理念,设计了一种由玻璃纤维复合材料(glass fiber reinforced polymer, GFRP)顶底板和三角锥点阵夹芯层(芯杆为LY160低屈服点钢)组成的复合夹芯组合板,它可与金属支架结合形成两级吸能防冲支护体系。测试并获得了GFRP和LY160低屈服点钢在准静态以及动态试验条件下的抗拉强度等基本力学参数,拟合得到了LY160低屈服点钢的C-S(Couper-Symonds)动态本构模型参数。开展了复合夹芯组合板的准静态平压试验,进行了夹芯板抗冲击性能的有限元参数分析。结果表明,随着芯杆直径的增加,试件单位体积吸收的能量显著增加,芯杆直径为6 mm试件吸收能量是直径为4 mm试件的6.0倍,单位质量吸收的能量也有所提升,但芯杆直径超过6 mm后变化不明显。当冲击地压震级为3级时,芯杆直径与单胞宽度对夹芯板结构的能量吸收率和单位质量吸收能量值影响显著,当芯杆直径为6 mm时,能量吸收率可达90%以上,而当单胞宽度为140 mm时,夹芯板兼顾吸能效率和经济性。

聚丙烯腈纤维调控水泥基充填材料凝结硬化与力学性能研究

利用聚丙烯腈(PAN)纤维调控水泥基充填材料,对水泥基充填材料的凝结硬化时间、抗压强度、黏结强度、抗弯强度和抗拉强度进行了分析,研究了不同纤维掺量(0.5%、1%、1.5%)和不同长径比(100、200、300)的聚丙烯腈纤维对水泥基充填材料力学性能的影响。结果表明:当PAN纤维掺量为1.5%时,较CM组(不掺PAN纤维)的初凝和终凝时间分别降低了11.1%和5.7%;PAN纤维水泥基充填材料的抗压强度随着PAN纤维含量增加而降低。与CM组相比,当PAN纤维体积含量为0.5%、1.0%和1.5%时,抗压强度分别下降了13.0%、3.7%和7.4%;纤维掺量为1%、长径比为200的水泥基充填材料的抗弯强度较CM组增加了78.6%,增幅最大。水泥基充填材料的黏结强度和抗弯强度先增加,然后随着PAN体积掺量和长径比增加而降低;随着PAN纤维掺入,水泥基充填材料的抗拉强度有所提高,与CM组相比,PAN纤维水泥基充填材料的抗拉强度提高了36.4%~418.2%。

以经典科研案例为主线的断裂力学教学创新与实验设计

断裂力学课程知识体系复杂、重点难点分散,又偏重理论教学,因此针对性地提出以经典科研案例与理论知识串联、将特色性实验环节穿插其中的创新教学模式。基于高延性水泥基材料(ECC)发明过程中的断裂力学理论,建立脉络清晰、重点突出的知识框架,理论与实际问题结合,使断裂力学呈现出独特的工程魅力。借助与理论教学配合的实验教学,学生切身体验到理论知识的应用场景,培养前沿思考、创新意识和实操能力。同时,通过科研案例融入课程思政元素,鼓励学生聚焦国家重大工程需求,深入思考工程技术背后的科学逻辑。课程提升学生的学习兴趣、参与热情和研究主动性,取得较好的教学效果。

不同浸水作用下煤岩损伤及力学性质劣化规律

本文以宁夏煤业的灵新矿的煤样为研究对象,设置煤样含水率、干湿循环次数、高盐矿井水矿化度3个变量,系统研究煤样无损吸水特性及不同浸水作用下煤样的力学性质损伤规律。并结合声发射试验获得的特征参数,量化抗压强度和弹性模量与不同含水率、不同干湿循环次数、不同矿化度间的定量关系,分析不同变量下的煤样破坏特征及裂隙发育演化过程。结果表明:含水煤样的抗压强度及弹性模量与含水率和矿化度呈线性递减关系,与干湿循环次数呈指数递减关系;随煤样含水状态(含水率、干湿循环次数)的提高,煤样内部剪切裂隙的占比逐渐增加,之后增加幅度较小;三者对煤岩介质的力学性质都存在劣化作用。煤岩介质的浸水试验有效揭示了不同浸水条件的“水-岩”耦合作用下煤岩介质的损伤破坏机理,为确保地下水库煤柱坝体稳定性研究提供有效的参考,同时可以为解决煤炭开采过程中所产生矿井水难以有效储存和利用以及大量水资源损失等问题提供有效思路。

新工科背景下理工类院校美育课程体系研究——以中国矿业大学(北京)为例

新工科建设旨在使理工科教育秉持协作开放新思维,实现跨学科交叉融合,注重人文素养培育、教育创新实践、资源合作共享,最终落实高校立德树人根本任务。理工类院校一般具有科技创新优势和理工类专业人才培养经验,为响应党和国家对于美育建设的号召,理工类院校可结合办学特色、优势学科以及艺术类和设计类相关专业,从课程系统性、学科交叉性、创新实践性、特色融入性、开放共享性五方面探究具有理工类特色的美育课程体系构建新路径,以期构建育人目标明确、启智内容多元、施教过程灵活的理工类院校美育课程新体系。

老龄化视角下社区公园供需空间布局评价——以北京市朝阳区为例

老龄化背景下,社区公园作为老年人开展户外游憩活动、进行社会交流的重要场所,其空间布局与老年人需求的相互匹配,是建设积极老龄社会、营造友好老龄化环境的基本要求。本文通过运用耦合协调度模型的评价方法,以北京市朝阳区为实证案例,以街道作为最小的研究单元,在老年人需求的视角下对社区公园的空间布局进行评价,并依托朝阳区的区域发展特点,提出相应的优化建议,以期为老龄化社会的建设提供科学的指导。

建筑间距对北京高层宿舍楼自然通风影响研究

为获得北京地区板式高层宿舍楼自然通风性能与建筑间距之间的量化关系,通过运用Phoenics软件,以相邻三栋宿舍楼之间不同的建筑间距为研究对象,采用数值模拟方法进行对比分析,对比位于中间的宿舍楼的换气率,通过增加建筑间距来改善室内风环境,得出合适的建筑间距的区间及建筑间距与宿舍楼换气率的数量关系。

无煤柱自成巷力学原理及其工法

煤炭是我国的支柱能源,煤炭工业是关系我国能源安全的重要基础产业。长期以来,我国地下煤炭资源开采一直以井工长壁121工法为主,这种开采体系存在煤炭资源浪费、巷道掘进率高、煤柱应力集中等问题。为解决现行开采体系存在的安全、开采成本和煤炭采出率三大瓶颈和突出问题,建立了基于采矿损伤不变量方程的采矿工程模型,分析了无煤柱自成巷力学原理。在此基础上,研发了顶板定向预裂卸压、NPR锚杆/索支护等成巷控制关键技术,实现了“拉得住、切得开、下得来、护得好”的技术目标,形成了无煤柱自成巷110/N00工法开采体系。110工法把采煤与掘进2套工序初步统一起来,使每个采煤工作面减少1条巷道的掘进,实现了无煤柱开采。N00工法则把采煤与掘进2套工序有机统一起来,利用矿压自动成巷,从而取消了回采巷道的掘进,彻底消除了采掘接续紧张的“老大难”问题。现场实践表明,110工法通过超前工作面预裂切顶卸压,利用矿山压力做功和垮落矸石的碎胀性实现留巷围岩自平衡。N00工法革新了原有采煤工艺,改变了传统采煤系统布局,实现了全采区无巷道掘进和无煤柱开采。

不同厚度岩层破断模式转变机理及力学模型分析

采动岩层的变形、破断、运动模式与采场矿压显现、地表沉陷等密切相关。薄岩层与厚岩层的破断模式又呈现出显著的差异,如何将不同厚度岩层的破断模式统一描述并建立力学模型是岩层移动理论难题。统计了23个典型工作面采动岩层破断结构,基于断裂力学理论对岩层的破断力学因素及运动模式进行了分类,详细分析了其与岩层厚度之间的关系。基于中厚板理论建立了不同厚度岩层破断力学模型,揭示了不同厚度岩层的破断力学机理及破断模式,并给出了相应的判据。结合数值模拟分析了不同厚度岩层在开采过程中的变形、破断和运动规律。研究表明,不同的应力边界条件作用在不同厚度的岩层上面,再加上开采条件的不同,岩层会出现不同的破断模式。随着岩层厚度的增加,岩层所受剪力不断增大,岩层的破断力学机理呈现出拉破断、拉剪破断及剪破断的演化规律;其相应的岩块结构则分别表现为砌体梁结构、分层破断以及台阶岩梁;统计数据表明岩块厚跨比大于0.5的岩层更易发生剪切破断而形成台阶岩梁。基于上述统计和分析,针对厚岩层可能发生的拉剪破断问题,提出混合破断模式的概念,将岩层破断力学因素细化为拉破断、拉剪破断及剪切破断3种;将不同厚度岩层的破断模式分为薄岩层常见的拉破断及遇断层引起的剪破断,厚岩层出现的拉破断、拉剪破断及剪切破断,其中拉剪混合破断分为端部拉剪混合破断、分层联动运动及分层非协调运动等7类破断模式。对岩层破断模式的进一步研究可为采场矿压控制及地表沉陷灾害的防治提供有益的理论支持。

爆破工程教学中材料动态力学性能实验及仿真实践

掌握岩石(体)在爆破动载作用下的动态力学响应是《爆破工程》课程的一项重要教学内容。由于土木或采矿类专业学生缺乏波动力学、岩石动力学等基础理论,采用讲授法讲解岩石动态力学特性的知识点时教学效果较差,影响后续的岩体破碎机理等内容的学习。为此,将岩石类材料的分离式霍普金森压杆实验(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)应用于《爆破工程》实践教学中,通过测定岩石动态压缩强度,观察试件破坏形态,引导学生理解岩石材料在不同应变率下的动态力学响应。运用有限元软件LS-DYNA对SHPB实验进行数值模拟,再现应力波传播和岩石破坏过程,达到动态冲击的演示功能。实践效果表明:这种教学方式使学生能够直观地感知应力波的传播过程,清晰地了解岩石动态破坏机理,掌握岩石类材料动态力学性能与应变率之间的关系,为进一步学习爆破工程理论奠定基础。

北京国家体育场空气流动的力学分析

本文利用计算流体力学软件对北京国家体育场在环境风力作用下场内气体流动进行数值模拟．获得了在多个方向不同风速下的内部赛区风速和内层天花板上的受力分布情况。

新工科背景下高校工程技术人才培养研究——中国矿业大学(北京)城市地下空间工程专业实例分析

新工科背景下工程技术人才培养,对新一轮科技革命和产业变革、满足国家战略需求具有重要意义。文章以中国矿业大学(北京)为例,针对城市地下空间工程技术人才培养现状与困境,根据城市地下空间工程技术特点及我国城市地下空间工程发展方向,构建了城市地下空间工程技术人才培养及教学体系。具体而言,改革教育理念,建立OBE理念下的教学新体系;加快教材革新速度,多层次多角度编写教材;创新授课模式实现教学多元化,从而为新工科背景下高校工程技术人才培养提供借鉴。

西南地区节理化薄层软岩隧道大变形力学机理及支护控制方法

针对西南山区高地应力软岩隧道支护结构破坏、围岩大变形等问题,以云南昌宁隧道为工程背景,分析了隧道围岩大变形破坏模式及力学机理,开展了软岩隧道NPR锚索应力补偿支护技术应用研究工作。首先采用现场勘查和室内试验的方法,对隧道地质条件及破坏成因进行分析;然后,研究了昌宁隧道影响围岩稳定性的主要控制因素和围岩破坏模式,提出了以NPR锚索为核心的应力补偿支护技术;最后,通过现场试验分析了NPR锚网耦合支护条件下昌宁隧道围岩控制效果。结果表明:岩层挤压弯折和层间剪切滑移是昌宁隧道围岩破坏的主要模式;以NPR锚索为核心的应力补偿支护技术能有效控制隧道围岩初期支护大变形,隧道围岩最大变形量从2150 mm降低到100 mm以内,效果显著。研究成果可为软岩隧道大变形的防治提供参考。

富水断层带隧道变形力学机制及双梯度注浆NPR补偿对策

云南他白依隧道位于青藏高原东麓,穿越多条断层构造带,其围岩软弱破碎,遇水强度骤降。原设计方案下围岩存在米级大变形,出现了拱架扭曲、仰拱隆起和突泥涌水等灾害。针对富水断层带隧道围岩破碎难题,首先通过矿物成分分析、点荷载试验及地应力测试,分析了富水断层带隧道变形力学机制及其转化,通过未注浆、常规注浆及双梯度注浆的围岩承载力试验,确定采用双梯度注浆工艺进行NPR锚索锚固;然后,通过数值模拟及现场试验,得出了最佳锚索数目;最后,通过现场应用,基于监测数据验证了双梯度注浆及高预紧力长短NPR锚索支护体系的可靠性。研究结果可为类似富水断层带隧道的大变形灾害控制提供参考。

初始应力状态对侧限条件黏土动态压缩过程和力学性能的影响

随着中国能源资源开采逐步向深部转移,采用浅部参数研究深部问题、采用静态参数研究动态问题会造成工程设计时的科学依据不足。由于黏土的初始应力状态对其动力学性质有显著影响,本文采用长时、分级、高压固结方式模拟黏土的原始应力赋存环境;采用分离式霍普金森杆(SHPB)试验装置对侧限条件下的高压固结黏土进行峰值应变率范围为200~800 s^(–1)的冲击压缩试验,分析了黏土应力记忆效应、应变率效应和动态压缩过程。结果表明:黏土的应力历史影响了其动态压缩过程,试样依次经历压实段、线弹性加载段、线性卸载段;在动载下,黏土压实段与线弹性加载段应力拐点的均值为3.8 MPa,与先期固结应力4.2 MPa具有相关性,且压实段应变均值约为试样破坏应变的33%。采用200和300 mm的短子弹进行冲击加载时,黏土试样未发生稳定的塑性变形;分析应力–应变率曲线发现,黏土的压实过程吸收了一部分动载能量,使其无法持续进行动态压缩行为,但进入动态压缩阶段后黏土受子弹长度影响较小;黏土试样动态加卸载段模量随应变率同步增加,但加卸载模量的比值稳定在0.45左右,表明更高的冲击速度没有造成试样进一步损伤,这与冲击后的宏观破坏现象及塑性变形分析相互印证。针对软弱、松散颗粒体材料,高压固结方式为研究其动力学性质提供了一种思路。

冲击荷载下3种典型纤维混凝土的动态力学性能研究

为研究玻璃纤维、钢纤维、聚丙烯纤维对纤维增强混凝土动态力学性能的影响,采用Hopkinson压杆,对不同纤维类型、纤维质量掺量和打击气压下50 mm×25 mm的混凝土试件进行动态压缩试验,对比其与普通混凝土在冲击荷载作用下动态力学性能的区别,得到各类纤维混凝土试件在不同打击气压下的动态压缩强度及应力-应变全过程曲线。结果表明,掺入适量纤维可提高混凝土的抗冲击性能,对混凝土的强度、塑性、能量耗散情况均有一定程度的改善,其中效果最好的是掺1.5%钢纤维的纤维混凝土,各项性能均明显优于普通混凝土。

冲击荷载下含孔洞砂岩的力学特性

通过在分离式霍普金森压杆装置上对含孔洞砂岩试件进行冲击试验,探究孔洞尺寸对砂岩动态力学性能的影响。基于试验结果,首先分析孔洞对砂岩岩样的强度和变形特性的影响规律;其次进行能量分析,揭示反射能量比、透射能量比和能量耗散比受孔径大小的影响;最后利用高速相机记录试件裂纹萌生、扩展、贯通直至破坏的全过程,探讨含不同孔径砂岩的裂纹扩展特征。试验结果表明,含孔洞砂岩岩样的力学参数(峰值应力、峰值应变)均显著低于完整岩样,降低幅度与孔洞直径密切相关,随着孔洞直径的增加,含孔洞砂岩的峰值强度与峰值应变均呈小幅减小趋势;在相同入射能量的条件下,随着孔径的增大,反射能量比增大,透射能量比减小,能量耗散率线性增大;随着孔径的增大,承受冲击加载后的试件其内部形成的贯通裂纹增多,试件的破碎块数也增多,且碎块尺寸减小。

钢纤维掺量对自密实钢管混凝土柱轴压力学性能影响研究

为提高钢管混凝土柱轴压承载力,在自密实混凝土中掺入钢纤维,研究不同钢纤维掺量对自密实钢管混凝土柱轴压力学性能的影响。通过设计正交试验,研究3组钢纤维掺量对自密实混凝土强度的影响,并为钢管混凝土钢纤维用量提供依据;对钢纤维组、普通组自密实钢管混凝土柱进行轴压试验,研究钢纤维对自密实钢管混凝土柱轴压力学性能影响;基于ABAQUS建立26组不同钢纤维掺量钢管混凝土柱模型,根据现场试验结果验证模型的正确性,分析其中6组钢纤维掺量对其轴压性能的影响,并建立不同钢纤维掺量下钢管混凝土柱轴压承载力计算公式。结果表明,2%掺量钢纤维对自密实混凝土强度增长的贡献较为显著,并能提高约4%自密实钢管混凝土柱轴压承载力,为最适宜掺量。提出考虑钢纤维掺量对钢管混凝土强度提高的计算式,与试验结果吻合良好。