偶应力对裂纹扩展的影响及其尺度效应

 与经典弹性理论相比,偶应力理论中考虑了微观结构的旋转梯度(即弯曲曲率),可以展示变形的弯曲效应。把无网格方法和偶应力理论结合在一起,给出偶应力理论的无网格离散模型。采用最大周向拉应力裂纹扩展准则,研究受拉情况下I型平面裂纹问题,确定该方法的基本参数,解决算法实施的关键技术。在此基础上,研究在不同微观尺度下受压岩体中裂纹初始破裂问题,进而对在某一给定微观尺度下受压岩体中裂纹扩展路径进行数值模拟跟踪。结果表明,偶应力对I型平面裂纹破裂没有影响,对复杂裂纹的弯折扩展有显著的影响,复杂裂纹的扩展角度、扩展步长、扩展载荷和扩展路径表现出显著的尺度效应。     

脆性介质中裂纹与孔洞缺陷的分类与尺度效应

首先,简单定义了裂纹与孔洞缺陷的基本概念,并对其按几何形状、赋存条件等不同类别进行分类然后,重点探讨了脆性介质中缺陷的尺度问题;最后,用数值模拟的方法对同一尺度层次的不同长度裂纹缺陷作了模拟,并分析了缺陷尺度对应力和强度的影响.     

基函数的阶数对无单元伽辽金方法精度的影响

无单元伽辽金(Element-Free Galerkin)方法是无网格方法中很重要的一种数值计算方法,利用无单元伽辽金方法求解二维稳态热传导方程,当选取基函数为线性基、二次基时,分别将数值解和解析解对比,分析了基函数的阶数对无单元伽辽金方法精度的影响,并说明无单元伽辽金方法是一种高精度的数值计算方法 .     

利用插值型无单元Galerkin方法求解KdV-B方程

首先讨论移动最小二乘插值法,并利用移动最小二乘插值法建立形函数,结合KdV-B方程的Galerkin积分弱形式,提出求KdV-B方程数值解的插值型无单元Galerkin方法(IEFG),并推导其相应的公式,跟无单元Galerkin方法相比,利用插值型无单元Galerkin方法计算时,本质边界条件可直接施加,从而可提高计算效率,并给出算例说明了该方法的有效性.     

概率积分法参数辨识的多尺度核偏最小二乘回归方法

 针对传统的偏最小二乘回归(PLS)、人工神经网络(ANN)、支持向量机(SVM)等非线性建模方法在概率积分法参数辨识中存在着预测效果差的不足,提出概率积分法参数辨识的多尺度核偏最小二乘回归(multi-scale KPLS)方法。首先,构建满足容许条件的多尺度高斯核函数;然后,对学习样本进行模糊聚类,以最优分类个数作为多尺度高斯核函数的尺度个数,并采用10次10折交叉验证按照网格搜索方法确定核函数的宽度;最后,详细论述multi-scale KPLS的建模过程。通过实例将multi-scale KPLS的预测结果与3种传统的PLS方法、径向基神经网络(RBF-NN)和SVM模型进行对比分析。结果表明：multi-scale KPLS顾及建模样本的多尺度特性,其预测精度明显高于其他预测模型;multi-scale KPLS有效地克服了各影响因素之间的多重共线性对预测结果的不利影响,具有较强的稳健性;multi-scale KPLS适用于多个因变量对多个自变量的概率积分法参数辨识问题,其建模参数均可自适应确定,在建模效率上优于RBF-NN和SVM。     

基于节理网络模型的岩体REV数值估算与无网格伽辽金法（EFGM）

论文分为两大部分。第一部分提出了一种数值方法,用来估算节理岩体的REV值。其过程为：首先取不同尺寸的岩体,岩体中的节理位置由Monte－Carlo法确定;然后将这些岩体剖分成有限元网格,对其作数值试验,获取岩体的力学参数;最后分析岩体力学参数与尺寸的关系,从而确定REV值。该法充分考虑了节理网络生成的随机性。第二部分研究无网格伽辽金法（EFGM）。论文在介绍EFGM基本原理的基础上,研究该法用于岩体工程的可行性,比如用该法模拟边坡开挖过程、模拟不连续面、求解接触摩擦问题;并进一步对EPGM作了两点改进,即EFGM对集中力荷载的处理以及EFGM的一种点积分实现形式。     

截面构造对钢箱梁剪力滞效应及其稳定性的影响

由于混凝土箱梁桥在运营一段时间后,普遍出现腹板开裂和跨中挠度过大的病害。随着交通事业的迅猛发展,钢箱梁桥逐渐取代混凝土箱梁桥成为大跨度桥梁的理想桥型。钢箱梁也存在剪力滞效应,而且更加显著。通过改变钢箱梁截面构造,运用大型有限元软件ANSYS进行数值模拟,研究了梗腋和腹板厚度对钢箱梁剪力滞效应的影响。结果表明:钢箱梁设置梗腋和增加腹板厚度可提高其局部刚度,通过改变截面剪力流分布情况,引起截面正应力横向分布趋于均匀,改善剪力滞效应,提高其整体稳定性;梗腋横向尺寸和高度越大,越有助于改善剪力滞效应;腹板厚度的增加对改善剪力滞效应并不显著。     

弹性地基上正交各向异性板的无网格局部Petrov-Galerkin法分析

基于经典板理论和对挠度函数采用移动最小二乘近似函数进行插值,进一步研究无网格局部Petrov-Galerkin(MLPG)方法在弹性地基上正交各向异性板弯曲问题中的应用。分析中,本质边界条件采用罚因子法施加,离散的线性方程从Winkler弹性基支正交各向异性板控制方程的局部积分对称弱形式中得到。通过两个数值算例,表明用MLPG法求解弹性地基上正交各向异性板弯曲具有分析简便和计算精度高等优点。     

准脆性材料试件应变软化尺度效应理论研究

研究了由于剪切局部化而引起的试件长度的尺寸效应，基于可以考虑微结构相互作用的非局部理论，得到了非局部塑性剪应变与局部塑性剪应变及其二阶应变梯度的关系，通过获得剪切带内部的塑性剪切应变，得到了岩样轴向的平均应变与位移的理论关系，研究结果表明，这一关系具有尺寸效应，随着试件高度的增加，应力-应变曲线变陡，当试件高度非常大时，发生Ⅱ类变形行为，而且，随着剪切带倾角的增加，应力-应变曲线也变陡，将理论结果与前人的试验结果进行了比较，结果表明吻合良好。     

岩体裂隙尺度对其变形与破坏的控制作用

岩体是一种含有大量缺陷的天然材料,其中的断层、裂缝和裂隙称为高层次缺陷,微裂隙、孔隙等称为低层次缺陷.首先分析包含宏观和微观裂隙的岩石裂隙数量与尺度之间的分形关系,并按照裂隙尺度进行分级.然后采用数值试验方法,通过逐级增加裂隙,研究岩体裂隙尺度对其变形与破坏的控制作用.研究结果表明,当裂缝、裂隙、微裂隙、孔隙等不同尺度、不同层次缺陷并存时,高层次缺陷对岩体的变形、稳定、破坏起着主导控制作用.     

岩石断裂表面分形测量的尺度效应

分形几何用于定量描述复杂的自然现象和不规则物体已有许多成功的范例,如岩石断裂表面粗糙度的测量。然而,岩石断裂表面粗糙度一般不具有自相似分形性质。因此,表面分表测量结果受尺度的影响。通过对不同试件长度、测量尺规和测量食品分辨率的实际测量结果,分析了岩石断裂表面分形测量中的尺度效应,提出了可靠的分形测量的途径。     

无网格法在断裂力学中的应用

采用罚函数法满足无网格法的本征边界条件,给出了罚参数的选择方案。对单裂纹体的应力场进行了分析,讨论了积分围线对应力强度因子计算结果的影响。数值结果表明,该方法可以有效地计算裂纹尖端的应力集中和应力强度因子,并能准确地模拟裂纹的传播。     

低频下渗透率尺度效应对弛豫过程影响的实验分析

 对于岩石的内耗行为,通常采用Cole-Cole分布的Debye模型进行解释。然而该模型仅能用于解释均匀介质的弛豫耗散过程,对于具有复杂结构的、含有孔隙流体的饱和岩石是不完全合适的。比如低频内耗实验数据就明显不符合该模型,不具有对称“圆弧”型的实模量–虚模量曲线。提出岩石介质中存在地震波波致流体流动的渗透率弛豫尺度效应,可以弥补含Cole-Cole分布Debye模型的不足。岩石内耗实验数据分析显示,所有饱和多孔岩石实模量–虚模量关系曲线均具有相同的高、低温段不对称圆弧型规律,尤其在低温端圆弧曲线散开上扬,随着频率增高,上扬程度加剧。这一现象是微裂隙非均匀岩石的渗透率弛豫尺度效应特征的实验证据,它有助于更好、更深入刻画流体饱和岩石的弛豫耗散机制,拓展改进模型,合理解释实验数据,对饱和流体岩石弛豫过程进行相关的预测研究,还有望从实验数据中提取有关岩石非均匀尺度结构信息。     

主应力轴旋转对土体性状影响的试验进展研究

对目前国内外主应力轴旋转条件（包括单向旋转和循环旋转）下土体性状研究的室内试验进行系统的分析与总结，得到以下结论：土体在不排水主应力轴旋转条件下产生孔压积累，这在主应力轴循环旋转中特别显著，且通常大于等剪应力幅度的动三轴或扭剪试验产生的孔压，并可建立与某种应变增量的函数关系，此外孔压开展的速率与程度受到土体原生各向异性的影响，但当试样所受剪应力水平较低时，上述影响的程度减弱。而在主应力轴循环旋转过程中，孔压还与主应力轴的转幅或循环次数等因素有关；主应力轴循环旋转并没有导致有效内摩擦角的显著变化。相当一部分试验结果表明，不论主应力轴旋转时的排水条件如何，只要采用归一化的强度标准，土体后续的抗剪强度并不受主应力轴旋转的影响，但也有一些试验表明，排水条件下主应力轴旋转引起原生各向异性轴的同步旋转，导致同一方向旋转前后的定向抗剪强度不尽相同；土体在主应力轴旋转条件下的主应变增量方向往往介于主应力增量和主应力方向之间，而旋转过程对土体后续加载路径中的应力一应变关系是否产生影响主要依赖于主应力轴旋转过程中产生的应变积累水平。此外，还建议可从孔压、强度、应力-应变关系3个角度出发，进行高剪应力水平、高频率主应力轴旋转试验，并深入研究各个应力因素对主应力轴旋转下土性的影响。     

岩体抗剪强度参数的结构面倾角效应

通过对泥质粉砂岩、泥质灰岩抗剪强度参数的层面倾角效应研究。以及石膏模型试件力学性质的结构面倾角效应研究，就结构面倾角对层状、似层状岩体抗剪强度参数产生的影响进行了较详细的剖析，阐明了层状、似层状结构岩体力学性质各向异性的本质和机理。并在此基础上对受倾角效应影响的层状、似层状岩体抗剪强度参数取值进行了较深入的分析，提出了较为客观的、极具参考价值的层状、似层状结构岩体抗剪强度参数的取值原则。分别得到了层状结构粉砂岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩以及薄层的层状结构灰岩、片岩、板岩的系列强度参数与结构面倾角口的相关公式。层状、似层状结构石膏模拟试件不同裂隙倾角条件下的室内三轴剪切试验研究进一步表明。新提出的相关公式可作为类似结构岩体抗剪强度参数在不同层面倾角下的取值参考。     

低剪应力水平主应力轴循环旋转对原状黏土性状影响研究

 为研究低剪应力水平主应力轴循环路径可能对黏土性状产生的影响,以杭州地区典型原状软黏土为对象开展试验研究。结果表明,试样在安全极限剪应力水平下进行剪应力恒定的多振次主应力轴循环旋转后(含单幅和双幅旋转),应变及孔隙水压力发展进入动态平衡,瞬时等效刚度和孔隙水压力值主要取决于剪应力中的扭剪应力分量,而轴向应力分量对两值亦有促进作用。进入主应力轴循环旋转动态平衡的试样在卸载后进行后续静态剪切时,应力–应变关系将表现出明显的刚度硬化特征,其中尤以三轴压缩过程中强度发挥程度提前的现象最为显著。同时,由于主应力轴循环旋转导致试样残余应变的积累及结构上的变化,使得试样在后续三轴压缩试验初期产生的主应变增量与主应力增量方向不共轴特性较为明显。但低于安全极限剪应力水平的主应力轴循环旋转未对试样的静态抗剪强度以及临界孔隙水压力产生显著影响。     

考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型研究

基于岩石的应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,采用损伤力学理论,考虑微元体破坏及弹性模量与尺寸之间的非线性关系,建立了单轴压缩下考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型。然后采用伺服试验机对不同尺寸大理岩石进行了单轴压缩试验研究,得到了不同尺寸大理岩样试验结果;讨论了材料力学参数与尺寸之间的关系,给出了考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型参数。预测的不同尺寸岩石理论曲线和试验结果相比较,显示了所建模型的合理性。最后探讨了岩石尺寸对损伤特性的演化规律。