基于颗粒流的含交叉裂纹类岩石水力致裂细观机理研究

针对目前岩石在水力耦合作用下交叉裂纹扩展机理认识不足的问题,采用颗粒流软件(PFC2D)的平直节理接触模型和流域法,模拟计算含交叉裂纹的类岩石三轴压缩水力致裂过程,分析双向水平主应力差和主、次裂纹倾角对水力裂纹起裂、扩展及贯通的影响规律,并揭示其细观断裂机理。研究结果表明:数值模拟与试验结果吻合较好。当有或无水平主应力差时,水力裂纹沿着或偏离水平最大主应力方向扩展,与交叉裂纹贯通或不贯通,细观机理均为拉伸断裂。增加水平主应力差可明显降低临界水压力,易形成网状裂纹,有利于提高资源开采效率。     

LZ50车轴钢的疲劳起裂阈值及强度

应用复型技术和逆序观测法对LZ50车轴钢光滑试样的早期疲劳短裂纹扩展行为进行试验研究.根据有效短裂纹理论,采用当量Ⅰ型主导有效短裂纹的概念描述材料群体疲劳短裂纹萌生、扩展的规律,利用最大微观结构障碍的概念推导该材料的疲劳起裂阈值及疲劳强度.研究结果如下:每个试样的有效短裂纹起源于试样表面的某些铁素体,这些裂纹萌生和扩展过程具有强烈的随机多裂纹特征;由于受最大微观组织障碍的约束,当量Ⅰ型主导有效短裂纹的扩展率具有初期下降和后期上升的特征;疲劳短裂纹的起裂阈值与最低扩展率和最大材料微观组织障碍相关,其值为1.973 76 MPa·m0.5;起裂阈值所对应的疲劳强度具有随表面缺陷当量尺寸的增加而下降的特点,当尺度大于50μm时,疲劳强度低于常规疲劳极限.     

新建盾构隧道纵向裂纹病害规律统计与数值分析

针对某地铁盾构隧道施工阶段管片大范围开裂、脱落等现象,对裂损病害进行现场调研,并深入分析危害最严重的纵向裂纹分布规律、裂损形态特征。在此基础上,建立扩展有限元数值模型,对纵向裂纹产生部位、外观形式、扩展规律、管片破坏形式进行探讨。研究表明:(1)施工阶段盾构隧道裂损可分为为纵向裂纹、拱顶脱落、边角部裂损三类,纵向裂纹是影响管片质量最主要因素;(2)纵向裂纹分为前裂纹和后裂纹,前裂纹比后裂纹数量多、波及范围广、病害程度深,是威胁隧道安全性及耐久性的最主要因素;(3)推力不均和推力过大是影响纵向裂纹产生的主要因素,管片破坏特征分别表现为剪切破坏、区域压溃破坏,推力过大在施工阶段对管片局部影响最大。     

加载波形对LZ50车轴钢疲劳裂纹扩展行为的影响

在三角波、正弦波、方波3种加载波形下对LZ50车轴钢紧凑拉伸试样开展疲劳裂纹扩展试验,采用扫描电镜观察断口形貌,并结合试验数据分析加载波形对裂纹尺寸增量和扩展速率的影响。结果显示:加载频率较高时,疲劳裂纹扩展行为对波形的敏感性较低,断口形貌基本相同;加载频率较低时,波形对疲劳裂纹扩展行为的影响增大,断口形貌出现差异;稳态扩展区以疲劳条带为主要扩展机制,三角波加载下的疲劳条带间距明显小于其他2种波形,其失稳扩展区形貌以韧窝为主,且韧窝较其他2种波形下的小且浅。同时,基于LS-DYNA软件和节点位移外推法对CT试样在3种加载波形下的应力强度因子进行计算和分析。结果表明:仿真分析波形对疲劳裂纹扩展的影响机制与试验结果基本一致。     

基于综合性能的纤维水泥基原材料优化选择

研究目的:基于现阶段纤维超韧性水泥基工程材料的原材料选择随意、优化繁琐等问题,本文通过对8组复合材料进行力学、工作等性能测试,并结合经济性能,构建综合型多指标灰色关联决策模型,优化出最佳材料组合,最后通过单轴拉伸试验验证分析最佳组的优良韧性及应变硬化特性,为其工程推广应用提供一定的理论参考。研究结论:(1)养护龄期对各组复合材料的力学性能有显著影响,其中28 d龄期的性能更优越;(2)由12 mm聚乙烯醇纤维(简称PVA)、40～70目石英砂组成的复合材料抗压、抗折强度均为最佳,抗裂性能较好;(3)由6 mm PVA纤维、20～40目石英砂组成的复合材料抗拉强度最高,拉伸性能最显著;(4)由6 mm PP纤维、40～70目石英砂组成的复合材料工作性能最佳,方便于施工与科研试验的搅拌等工作;(5)由12 mm PP纤维、40～70目石英砂组成的复合材料的灰色关联决策综合性能最好,其极限拉应变大约是普通混凝土的300～400倍,有显著的拉伸韧性,推荐其作为提高结构使用寿命的工程韧性材料。     

玄武岩纤维改性透水水泥稳定碎石试验研究

研究目的:透水水泥稳定碎石为透水路面的良好基层材料,在海绵城市透水路面应用前景广泛,但其强度和抗裂性能仍有待提高。本文通过室内材料试验,研究玄武岩纤维对透水水泥稳定碎石力学、透水性能影响规律,为透水水泥稳定碎石基层的改性提供参考依据。研究结论:(1)玄武岩纤维可有效提高透水水泥稳定碎石的后期抗压强度、劈裂强度;(2)不同纤维长度和纤维掺量改善效果不同,试验中12 mm玄武岩纤维掺量为0.7‰时改善效果最显著;(3)玄武岩纤维对透水水泥稳定碎石的空隙率影响不大,掺加纤维后,试件空隙率略有减小,但降低幅度不大;(4)本研究成果主要应用在道路工程领域,具体是海绵城市建设透水路基领域,可为今后的透水水泥稳定碎石基层的设计和施工提供参考。     

波磨激励下的地铁钢轨滚动接触疲劳裂纹瞬态扩展行为

针对地铁曲线段钢轨波磨与滚动接触疲劳损伤共存现象,在ANSYS/LS-DYNA软件中建立了采用显式时间积分的瞬态有限元模型,分析钢轨短波波磨对其上滚动接触疲劳裂纹瞬态扩展行为的影响。以我国某地铁R450 m圆曲线段低轨损伤为例,考虑21条长度15 mm、深度3 mm、倾角30°且等间距分布的半椭圆形裂纹,波长30 mm、波深范围为0.03～0.09 mm的典型短波波磨,分析在速度67.6 km/h、摩擦因数0.5和牵引系数0.1等条件下,导向轮对通过时低轨侧瞬态滚动接触行为和裂纹群瞬态扩展行为。结果表明：裂纹群对轮轨接触产生持续周期性激励,且造成法、切向动态轮轨力波动幅值远低于典型短波波磨;处于波磨激励下动态加载时段内的裂纹,其最大裂尖动态应力强度因子较无波磨工况更大,而在减载时段内则相对更小,整个裂纹群的动态应力强度因子结果呈现出与波磨几何相对应的周期性波动;当波深增加时,最大裂尖动态应力强度因子也相应增大。在波长30 mm、波深0.09 mm的波磨激励下,裂纹群内的等效动态应力强度因子最大值较无波磨工况增加了34.4%,采用文献中报道的裂纹稳态扩展速率Paris公式发现,对应裂纹扩...     

高速铁路隧道间距对岩体变形及应力分布的影响

为研究不同隧道间距下岩体变形及应力分布规律,采用类岩材料制备不同孔洞间距的试样,并对试样进行单轴压缩试验等力学测试,获得试样的峰值应力和弹性模量;利用声发射(AE)装置,获得孔洞间距对声发射参数的影响;采用DIC设备对试样的加载破坏过程进行监测,研究试样受力破坏过程中的动态变化.研究表明,随着两孔洞之间间距增大,试样峰...     

晶体粒径对花岗岩力学特性影响规律的试验研究

岩石晶体尺寸在空间分布上具有变异性,不同晶体尺寸岩石具有不同的力学特性。为研究晶体尺寸对岩石力学特性的影响规律,选取怒江拥巴段浅层弱风化花岗岩为研究对象,根据晶体尺寸将花岗岩分为粗粒、中粗粒、中细粒和细粒共4组;采用三轴压缩试验研究不同晶体粒径花岗岩的应力-应变响应特征,并在此基础上分析了花岗岩强度、刚度及破坏特征随晶体粒径的变化规律;最后结合花岗岩微观结构图像讨论了晶体粒径对其宏观力学特性的影响。研究表明：(1)同一地区晶体粒径较小的花岗岩具有较大的峰值抗压强度及对应的轴向压缩应变,细粒花岗岩的峰值抗压强度及其对应的轴向压缩应变分别为粗粒花岗岩的1.5～2.2倍和1.6～2.1倍;(2)晶体粒径从粗粒逐渐减小到细粒的过程中,花岗岩的抗剪强度和刚度均逐渐增大,其中黏聚力从13 MPa增加至32 MPa,内摩擦角从45.2°增加至52.5°,变形模量从1.0(归一化)增加至1.7～2.5,泊松比从0.29减小至0.22;(3)不同粒径花岗岩的微观结构具有显著差异,细粒花岗岩晶体颗粒的致密程度及晶体之间的胶结程度显著优于粗粒花岗岩。     

Q345qD桥梁钢疲劳裂纹扩展速率试验研究

为采用线弹性断裂力学方法对既有铁路钢桥进行疲劳评估,利用紧凑拉伸试样、基于柔度法的测量手段,对6.1,10.0和23.5mm厚的我国应用最广泛的Q345qD桥梁钢进行疲劳裂纹扩展速率试验,分别采用单试件数据点和成组(相同材料、厚度和应力比)数据点拟合,得到不同厚度、不同应力比下试件的疲劳裂纹扩展速率参数。试验结果表明:在通常的应力强度因子幅值范围(10~70 MPa·m1/2)内,基于单试件数据点拟合参数得到的疲劳裂纹扩展速率明显高于基于成组数据点拟合参数得到的裂纹扩展速率;Q345qD桥梁钢的疲劳裂纹扩展速率随应力比增加而增加,当应力比从0.1增加到0.5时,本批次钢材的疲劳裂纹扩展速率增幅为7%~25%,但随板厚增加的变化并不显著;本批次Q345qD桥梁钢的疲劳裂纹扩展性能优于HPS485W和14MnNbq桥梁钢及BS7910标准中给出的通用钢材疲劳裂纹扩展性能。     

级配钢纤维活性粉末混凝土的动态拉伸性能的试验研究

采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)对直径为70 mm的圆柱体试件的动态拉伸性能进行研究,得到了不同应变率下的混凝土劈裂拉伸强度和拉伸应力-时间曲线,并与静态劈裂拉伸强度进行了对比。根据试验结果,讨论了含不同种类钢纤维的活性粉末混凝土的动态拉伸性能,以及3种钢纤维级配下的钢纤维活性粉末混凝土的动态拉伸性能;总结了级配钢纤维活性粉末混凝土的应变率效应,以及影响钢纤维混凝土动态拉伸性能的因素。     

纤维素纤维混凝土性能及在二次衬砌中的应用

对纤维素纤维混凝土工作性能、强度、抗裂性能和耐久性能进行测试,结果表明:纤维素纤维混凝土比普通混凝土有较好工作性能、早期抗裂性能和耐久性能;可提高混凝土劈裂抗拉强度和抗弯强度。因此,可应用于Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下隧道二次衬砌结构。纤维素纤维对混凝土增强作用机理可解释为:通过纤维在混凝土中乱向分布,改善混凝土内部微观结构;减少气泡含量和气泡间距;并减小混凝土裂缝萌生和扩展概率;从而改善混凝土性能。将纤维素纤维混凝土应用于某高速铁路隧道二次衬砌结构,可满足工作性能、强度、耐久性能要求,且成型后70、280d混凝土表面没有裂缝产生。     

隧洞岩爆应变能释放机理研究

为进一步认识隧洞岩爆应变能释放机理,获得岩爆过程完整演化图像,定义弹脆性细观损伤模型和刚度退化迭代算法,并将其嵌入有限元程序模拟一个深埋隧洞岩爆发生过程。结果表明:岩爆发生过程为首先在洞壁母岩中形成"V"形剪切滑移带,并从中分划出楔形岩爆体;随后岩爆孕育进入临界状态;最终楔形体挤压破坏,导致卸荷释放应变能。岩爆孕育、演化发生包含丰富细观力学机制:岩爆区的分划机制——剪切滑移;滑移带中的细观力学机制——张拉破坏;岩爆的临界状态——楔形体的极限平衡;岩爆能量释放——楔形体裂隙带卸荷。楔形体位移监测表明:岩爆发生时,楔形体经历弹性外鼓、卸荷回弹及片状抛出3个阶段,片状爆裂发生在卸荷回弹阶段。     

断口定量分析840D车轮辐板孔裂纹扩展速率

对840D车轮辐板孔疲劳断口形貌进行观察并测量疲劳弧线间距。通过分析认为43 mm是临界裂纹的一个重要参考,同时发现闸瓦制动工况在裂纹的产生和扩展过程中起着重要的作用,并推断出裂纹长度在35 mm内,其平均裂纹扩展速率为31.2 mm/年。     

120阀内孔径对制动系统性能的影响

使用基于气体流动理论的列车制动系统数值仿真方法定量分析了120阀的紧急阀III孔径、局减阀上的局减孔孔径、加缓风缸向列车管充气孔孔径对单编万吨列车制动、缓解特性的影响.仿真结果表明:紧急阀III孔径对列车的紧急制动特性有明显的影响。该孔径在2.3～2.7 mm范围内能够保证在常用制动时不发生紧急作用,同时紧急作用也能正常发生,并且该孔径越大,其制动波速越慢,在紧急制动时,该孔径由2.35 mm增大到2.65 mm,其制动波速由283.2 m/s降低到244.2 m/s,降低了14.2%;局减阀上局减孔孔径对常用制动时的制动波速有明显的影响,孔径越大,其常用制动的制动波速越快,在减压100 kPa时,孔径为1.5 mm时比0.5 mm时制动波速增大了77.4%;加缓风缸向列车管充气孔的大小对缓解波速有明显的影响,该孔径越大,缓解波速越快,在减压100 kPa之后缓解的过程中,随着该孔径由0.5 mm增大到1.5 mm,缓解波速增大了53.1%,小减压量制动后缓解时,该孔径大小对缓解波速影响较小。该结论为新阀的设计提供了参考。     

动荷载与水耦合作用下无砟轨道混凝土层间裂纹扩展研究

随着高速铁路的大范围应用,无砟轨道在列车荷载与水耦合作用下的水致损伤问题备受关注。为研究列车荷载与水耦合作用下无砟轨道层间裂纹扩展现象,运用有限元软件进行无砟轨道层间裂纹扩展分析,开展动荷载与水耦合作用下的混凝土层间裂纹扩展试验。研究结果表明:裂纹尖端疲劳寿命与列车速度呈二次方关系,随列车轴重增加,裂纹尖端疲劳寿命显著降低;裂纹尖端剪应力随裂纹深度增大呈高次方增长;裂纹扩展初期尖端多呈一定弧度,裂纹局部会伴有压溃现象;混凝土层间裂纹沿界面扩展时为折线形,并可能会产生裂纹分叉,最终导致裂纹面掉块现象发生。     

基于PFC3D隧道采空区上覆岩层破坏机理研究

本文采用PFC^3D数值模拟软件,结合牡佳客专青龙山小煤窑上覆岩层垮落情况以及孔隙率变化特征,对小煤窑采空区上覆岩层破坏机理进行研究,得出以下结论:上覆岩层由于应力集中和覆岩崩塌引起的冲击作用,工作面底板产生更多裂缝且不断积累和发展,形成贯通性裂纹通道,直至底板裂纹区域深度达到15 m;在工作面推进过程中,工作面上方、后方以及工作面附近孔隙率较大,随着工作面的推进,工作面后方孔隙率大的领域增加,使工作面推进区域上方孔隙率大的领域不断向前发展,形成细长形状,由于上覆岩层的支承作用,两巷附近的孔隙率仍会保持较大值。     

广义宾汉流体水泥基浆液动水注浆及质量检测研究

裂隙突水灾害严重威胁隧道施工安全,注浆是解决裂隙突水灾害的有效手段之一。通过分析广义宾汉流体的水泥基浆液流型,建立平板单一裂隙动水条件下注浆扩散模型,构建应力只和变形速率有关、与时间无关的纯粘性流体本构方程;基于注浆扩散模型得出水泥基浆液断面的平均流速;由注浆孔边界和扩散边界条件,结合注浆孔压力和静水压力,推导出在逆水条件和顺水条件下浆液的扩散距离公式。根据依托工程实际制定裂隙注浆控制方案,并结合隧道检测手段对注浆效果进行验证。