基于三维激光扫描技术的混凝土磨蚀监测方法研究

水工建筑物的混凝土磨蚀监测是水利工程中的重点和难点。随着技术的进步,现有的混凝土磨蚀监测手段得到长足的发展,但依然存在监测范围小、难以全面反映磨蚀破坏程度等问题。三维激光扫描技术由于具有精度高、抗干扰能力强等特点,被越来越多地应用到高精度工程测量和三维建模中,但将其应用于混凝土磨蚀监测比较有限。因此,首先通过室内测量试验验证了三维激光扫描技术的测量精度可以满足磨蚀监测要求;随后,利用三维激光扫描技术开展了模型监测试验,结果表明磨蚀坑槽纵截面近似呈梯形分布,相同磨蚀时间内距离射流口越近的位置磨蚀深度越大;随着磨蚀时间的增加,不同纵截面的破坏程度差异逐渐减小。此外,扫描点云的后处理还可将全部磨蚀破坏信息进行可视化显示,从而直观全面地反映磨蚀破坏分布特征。

岩石动态力学参数测试综述

岩石工程实践中，受动力荷载的作用现象比较普遍，例如工程爆破、自然地震及岩爆等。为了工程安全并兼顾经济效益的最大化，在这些工程问题的设计和施工中需要使用准确的岩石动态力学破坏强度及断裂韧度等力学性质。由于岩石动力测试较静态测试复杂得多，国际岩石力学学会岩石动力学专业委员会（ISRM—CRD）2012年才首次推出了岩石动态测试推荐方法，包括岩石动态压缩、动态拉伸及动态断裂方法。夏开文近几年在岩石动力实验室测量方面做了一系列工作，得到了国际同行广泛的认可，并执笔编写了ISRM动力测试推荐方法。夏开文作为新一届的国际岩石力学学会岩石动力学专业委员会（2011-2015）主席，负责继续推动把更多切实有效的岩石动力测试方法建议为国际岩石力学学会（ISRM）推荐方法。在此背景下，我们结合多年来的研究工作，总结一些准确可靠的岩石动力学测试方法，希望能被应用到我国的工程爆破实践中，以期进一步提高我国工程爆破施工的高效性和安全性。

预加载下岩石的动态力学性能研究

动态和静态载荷共同作用下的岩石力学特性是深部地下岩石工程的关键问题。设计了用于测试静态预加载下岩石动态力学性能的分离式霍普金森压杆系统,并详细介绍了具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统的原理、数据分析和应力波的传播过程。通过具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统研究了岩石在不同预拉伸应力下的拉伸强度。结果表明:动态拉伸强度和总拉伸强度随着加载率的增加而增加,同时,在相同加载率下,动态拉伸强度随着预拉伸载荷的增加而减小,而总拉伸应力与预拉伸载荷的大小无关。此外,对不同预加载条件下岩石的动态断裂韧度也进行了研究,实验结果说明岩石的动态断裂韧度和总断裂韧度随着加载率的增加而增加。在相同加载率下,动态断裂韧度随着预加载荷的增加而减小,而总断裂韧度随着加载率的增加而增加。

基于啁啾布拉格光纤光栅(CFBG)的混凝土磨蚀监测方法

提出了一种基于啁啾布拉格光纤光栅(CFBG)的混凝土磨蚀监测方法,其基本工作原理在于光纤光栅长度会随着混凝土磨蚀的发生而同步变短,从而引起光栅反射光谱带宽变窄,继而利用光纤光栅的相关理论计算得到混凝土磨蚀深度。同时,还描述了一种计算混凝土磨蚀深度的简单算法,并通过对比试验验证传感器测试的精度。试验结果表明:对于单点的磨蚀深度测量结果,该方法的测量精度可达到亚毫米级别,可应用于水工建筑物表面磨蚀状态的实时监测。

某场地土壤苯系物空间分布特征和健康风险评价

对某场地土壤苯系物浓度空间分布特征描述以及结合场地未来土地利用类型,采用健康风险评价模型对土壤苯系物污染可能给未来入住人群带来的空间健康风险进行评价。结果表明,场地土壤中苯系物的污染主要以苯、氯苯和硝基苯为主。从苯系物浓度的空间分布看出,场地土壤存在一定范围的污染,亚表层污染土壤面积远大于表层土壤。空间健康风险评价结果:不同土地利用类型下均存在一定的致癌和非致癌风险,且居民用地风险远高于商业用地风险,亚表层土壤风险高于表层土壤。

模拟脆性材料动态裂纹扩展的非连续变形分析方法

非连续变形分析方法(DDA)属于隐式离散元法,通过引入虚拟节理可以模拟材料从连续到破坏全过程。尝试将DDA方法应用于脆性材料动态裂纹扩展问题。采用基于Voronoi多边形离散的DDA方法进行模拟。由于Voronoi多边形会存在较多短边,采用原始DDA程序计算时短边会优先发生破坏。针对该问题通过引入均布弹簧算法,在一定程度上减轻了过多短边发生破坏的问题。其次,为了能够定量分析动态裂纹扩展,提出了一套参数标定方案。该方案通过单轴压缩试验进行弹性参数标定,通过带切槽半圆盘试验进行强度参数标定。利用标定后的参数模拟的带切槽半圆盘,裂纹扩展路径与试验结果高度一致。最后,基于标定的参数,模拟了几类典型脆性材料的动态裂纹扩展问题,包括自相似裂纹扩展、裂纹分叉和紧凑拉伸试验。模拟结果表明,DDA方法能够较好地再现自相似裂纹扩展时裂纹扩展速度保持不变的规律,可以真实地模拟出脆性材料的裂纹分叉现象,并成功模拟了不同加载速度下紧凑拉伸试验中不同的破坏模式。这些算例验证了DDA方法在模拟脆性材料动态裂纹扩展问题的可行性,为后续相关应用打下了基础。

二维颗粒非连续变形分析粘结算法改进

非连续变形分析(DDA)采用隐式格式,使用位移作为未知数,通过势能最小原理建立平衡方程将块体间的接触问题与块体本身的变形统一到方程中,具有理论推导严密、计算精度高等特点。基于颗粒的DDA方法在模拟砂土、岩石破坏等方面有独特的优势,并逐渐得到重视。为了模拟岩石破坏,需要引入粘结算法来描述连续介质的变形特征,而合理的粘结算法能够更好地模拟颗粒间的胶结作用。在二维颗粒DDA的框架下,建立了一种新的粘结模型。该粘结模型由法向粘结、切向粘结和转动粘结三部分组成,除了能抵抗颗粒间的嵌入和滑移外,还能抵抗颗粒间的相互转动。并在该模型的基础上,建立了相应的粘结破坏准则。最后基于Matlab模拟了岩石的单轴压缩和直剪实验,通过与实验结果对比验证了模型的准确性和有效性。