基于裂纹动力学的岩石动力破碎平均块度研究

作为表征动力破碎的重要参数之一,平均破碎块度的研究对于揭示岩石破碎机理具有重要意义。尽管进行了大量理论与实验研究,但是还缺乏从裂纹动力学角度来澄清岩石破碎和块度形成机理。基于动态荷载作用下翼型裂纹扩展模型和J. R. Gladden柱体动力屈曲失稳模型,提出了一种预测岩石平均破碎块度的方法,并探究了应变率对动态强度和平均破碎块度的影响。研究结果表明,随着应变率的增加,动态强度增加,平均破碎块度减小,且应变率依赖性逐渐降低。模型平均破碎块度预测与实验数据吻合良好。

砂岩强度的动态尺寸效应机理研究

试验研究发现岩石强度的动态尺寸效应与静态尺寸效应相反,但岩石动态尺寸效应的内在微细观动力机理还没有澄清。本文以砂岩为例,基于岩石的翼状裂纹模型,联合求解裂纹的加载方程和运动方程,研究了在动载作用下试件尺寸对岩石强度的影响机理,即岩石强度的动态尺寸效应。结果表明:在相同动力加载率条件下,试件尺寸越大,裂纹连接所需要的时间越长;试件破坏时的施加的应力(也即动态强度)越大,试件的动态尺寸效应越显著,岩石动态强度近似以幂律关系增长;对于一定的试件尺寸范围,根据数值分析,得到岩石的临界应变率范围,在该临界应变率以下,静态的尺寸效应占主导地位,在该临界应变率以上,动态尺寸效应占主导地位,且临界应变率随试件尺寸增加而降低;试件临界尺寸随着应变率增加而降低。

中空夹层钢管混凝土柱外钢管轴压局部失稳的简化计算模型

轴压作用下中空夹层钢管混凝土短柱的外钢管失稳临界应力计算公式还不够完善。分析认为,中空夹层钢管混凝土短柱的外钢管与实心钢管混凝土短柱的外钢管受力情况基本相同。因此,基于张耀春等的理论模型研究了中空夹层钢管混凝土短柱外钢管的局部失稳。构件夹层混凝土与外钢管条形单元相互作用模型取为文克尔弹性地基上的长梁模型,进而可以利用文克尔弹性地基梁理论计算外钢管的弯曲波长λ。根据实际工程中的钢管厚度t与圆柱构件横截面半径r之比远小于1∶t/r?1的情况,和外钢管失稳波长约为弯曲波长λ,简化了张耀春等模型中的理论推导。类比该模型,推导得出中空夹层钢管混凝土短柱外钢管局部失稳临界应力简化计算公式。该简化计算模型中局部失稳波长与其他学者的试验数据对比,平均误差为7.7%,临界应力计算值的相对误差值为2.7%,表明该简化计算公式可行,可以为工程实践提供参考。

考虑深海能源土结构性影响的弹塑性本构模型

深海能源土是指水合物以不同赋存模式填充于孔隙中的海底沉积物。水合物的填充效应会对能源土的密度和孔隙比产生较大影响。水合物的胶结效应会产生随饱和度增大而增大的胶结力,两种效应共同影响着深海能源土的复杂力学特性。同时能源土也是一种特殊的结构性土,其骨架颗粒、孔隙性状和排列方式均会对能源土的强度、应变软化和剪胀剪缩等特性有影响。在CSUH模型的框架下,通过建立与水合物饱和度相关的压硬性参数来反映水合物对能源土压缩特性的影响。其次考虑水合物填充效应的影响,推导出了能源土的实际初始孔隙比计算式,并将其引入至能源土的状态参数中来反映其剪胀特性。最后将用于描述土体损伤效应的结构性参数与水合物饱和度相关的胶结性参数作为硬化规律,建立了一个考虑水合物填充效应的结构性深海能源土的弹塑性本构模型。通过与室内试验结果比较,验证了该模型可有效反映能源土在不同水合物饱和度和围压条件下的应变硬化及软化、体积剪胀剪缩等复杂力学特性。

多孔结构对地下综合管廊燃气爆炸的抑制效应

地下综合管廊应用广泛,燃气泄漏致爆的冲击荷载会对管廊结构内外造成严重破坏。为降低地下综合管廊燃气舱内的爆炸危害,利用Fluent软件对内置多孔结构燃气舱内甲烷/空气预混气体的爆炸过程进行模拟,从管廊内燃气舱结构抗爆角度研究孔隙率分别为40%、50%、60%时的爆炸传播规律、温度抑制效应及爆炸超压衰减效应。基于熄爆参数指标,从爆炸超压和火焰温度两方面综合评估多孔结构对爆炸的抑制效果。结果表明:当多孔结构的孔隙率大于58.4%时,其对爆炸传播的抑制机制占主导作用,能有效抑制爆炸的传播;抑制效果与孔隙率参数存在线性关系,内置孔隙率越大的多孔结构工况对爆炸扰动越显著,最大温度可抑制8%,最大超压可衰减38%,最大速度可降低33%。

不同应力路径下孔隙比对于饱和砂土塑性应变影响的理论研究

目前,不同应力路径下孔隙比对于饱和砂土塑性应变的影响还没有完全澄清。为解决该问题,基于砂土变形细观机制的研究成果和对简化细颗粒单元体的受力分析,得到应力比与反映颗粒单元体组成结构的内部夹角的关系,进一步得出应力比与孔隙比的对应关系。对双硬化弹塑性本构模型,将受应力比影响的孔隙比es代替其中的初始孔隙比e0。新模型可合理预测饱和砂土沿不同应力增量方向应力路径的塑性变形,理论预测结果与试验结果相吻合。

综合管廊坡度对燃气泄漏扩散影响研究

利用Fluent软件研究纵向坡度为0°、5°、10°、15°和不同通风方向情况下,燃气舱内发生小孔泄漏从正常通风到报警器响应切换事故通风的过程。结果表明:燃气泄漏扩散方向与坡度和通风方向有关,事故通风后扩散方向与通风方向相同,距离泄漏口30 m以上扩散速度与坡度呈正相关。通风方向相同,坡度越大报警器响应时间越短。各坡度下根据首先响应两个报警器的响应时间均可初步判断泄漏源位置。对于甲烷报警器的布置,建议坡度增大时可以适当降低该侧壁报警器的布置高度。

预压脆性岩石动态宏细观力学模型研究

预压应力脆性岩石动力特性研究,对深部地下工程围岩变形评价有重要实践意义。细观裂纹扩展严重影响预压脆性岩石动态力学行为。基于细观裂纹扩展与应力关系模型、裂纹速率与动态断裂韧度模型、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与应变关系模型,提出了一种考虑预压轴向应力及围压的脆性岩石承受动态荷载作用下的宏细观力学模型。其中裂纹速率与应变率关系模型是通过对应变相关的裂纹长度求解时间导数获得。应变率与应变关系模型描述了预压岩石动态荷载导致的应变率随应变演化曲线。研究了不同预压轴向应力及应变率影响下的脆性岩石应力-应变关系曲线,并利用试验结果验证了模型的合理性。讨论了围压、初始裂纹尺寸、初始裂纹角度、及初始裂纹摩擦系数对预压应力岩石的动态应力应变关系、预压裂纹长度、预压轴向应变、及动态峰值强度的影响。主要研究结果:预压应力越小、围压越大、初始裂纹面尺寸越小或初始裂纹摩擦系数越大,则预压轴向应变及裂纹长度越小,且预压岩石动态强度越大。

破膜压力对综合管廊燃气爆炸传播的影响

综合管廊应用广泛,泄漏燃气爆炸会对管廊造成严重破坏。利用燃气舱内潜在的泄爆体系,可降低爆炸冲击带来的危害,但是目前还缺乏这方面的定量研究。针对地下综合管廊中爆炸传播过程,利用Fluent软件建立了三维数值模型,模拟了不同破膜压力下火焰传播、爆炸超压、爆炸超温的变化情况。结果表明:随着破膜压力增加,舱内火焰最大传播速度、最大爆炸超压、最大初始温度逐渐增加,火焰在燃气舱内持续的时间增加、泄爆口处火焰速度减缓;当破膜压力小于60 kPa时,舱内最大超压为燃烧混合物泄放产生的峰值;当大于60 kPa时,外部爆炸的气体不足以阻碍内部已燃气体的泄放,舱内最大爆炸超压为二次爆炸产生的峰值。泄爆可以延缓并降低首次爆炸超温峰值的出现。研究结果将有助于深入了解泄爆作用下综合管廊内燃气爆炸的传播规律以及为燃气舱内逃生口的设计提供参考。