盾构隧道衬砌结构应力与变形的三维数值模拟与模型试验研究

结合广州地铁三号线盾构隧道工程实例,提出钢筋混凝土衬砌结构三维非线性有限元计算模型,应用非线性有限元程序ANSYS分析了上部和周围土体荷载作用下衬砌的应力场与变形情况。结构计算模型采用三维实体单元,考虑了衬砌与周围土体的共同作用、土体和钢筋混凝土材料的非线性性质,通过模型刚度折减考虑了管片接头的不连续性对衬砌应力和变形性质的影响。为验证数值分析结果,进行了衬砌结构的相似模型试验。给出了衬砌结构的应力场、应变场、结构整体位移以及裂纹的分布图。     

粘弹性土体中深埋圆形隧道的应力和位移分析

基于Biot固结理论,采用渗流-力学耦合模型,研究分析了粘弹性饱和土体中因开挖深埋圆形隧道而引起的周围土体的应力和位移场。假设衬砌和土体均为多孔介质,隧道处于半封闭状态,边界半透水。在拉普拉斯变换域中得到的应力、位移场和孔隙水压力解答,运用拉普拉斯数值逆变换得到数值计算结果,分析了隧道周围土体中应力、位移场及孔隙水压力的消散规律,讨论了隧道边界的渗透特性和土体的流变性质对应力、位移场以及孔隙水压力消散的影响。     

公铁两用隧道动态响应的并行计算分析

具有复杂结构和多种用途的隧道正受到广泛运用。为了分析隧道结构在多种载荷下的响应特性,在LS-DYNA环境下,建立了列车-隧道-土体的动力耦合三维有限元计算模型,采用基于负载均衡的并行计算技术,解决了该大规模非线性有限元模型的求解难题。结果表明：运用动力松弛法加载静应力场可以取得较好的效果;加载静应力场时,隧道与土体接触计算更准确,且应力响应分布规律不同;列车及公路车辆载荷的影响远大于轨道不平度的影响,隧道衬砌在公路车道准静态载荷下的垂向位移约1.15mm,在列车动载荷作用引起的垂向位移峰值约0.8mm;基于接触负载均衡的并行计算方法提高了约15%的计算效率,而对于CPU数量的选择,需要综合考虑模型的规模和空间拓扑结构。     

反平面载荷作用下带界面裂纹的不同正交异性层板的应力分析

本文对含有边缘界面裂纹的不同正交各向异性平板在反平面载荷作用下的位移场与应力场进行了分析,得到了满足所有基本方程以及裂纹面边界条件与交界面连续条件的位移场与应力场展开式,本文进一步应用变分原理决定应力场展开式中奇异项系数—应力强度因子,计算结果表明,应力强度因子的收敛性是令人非常满意的.      

残余应力对固体氧化物燃料电池弹塑性性能的影响

半电池结构NiO-YSZ/YSZ由于弹性模量不同和热膨胀系数不匹配,导致烧结过程中产生残余应力. 残余应力对于燃料电池的性能和使用带来一定的影响, 本文把残余应力引入到计算薄膜性能的逆向分析模型中, 建立了考虑残余应力影响的薄膜的纳米压痕分析模型. 利用纳米压痕方法测试了离双层材料界面不同距离处的载荷-位移曲线和相应的材料性能, 用本文建立的模型计算了不同点的性能的变化, 发现离界面越远, 电解质YSZ薄膜的硬度越大. 将热力分析得到的残余应力场作为压痕模拟的初始应力场, 计算三棱锥压头下压痕载荷-位移曲线, 结果显示考虑残余应力时的载荷-位移曲线更接近实验曲线, 并给出了残余应力下压痕形貌图, 发现有残余应力时的压痕形貌更深更大.     

有限变形下固-液耦合渗透固结问题的数值分析

基于多相连续介质力学的理论,把土体抽象为叠合连续体,建立了有限变形下固-液耦合渗透固结问题的数学模型。基于IFEPG有限元自动生成系统,编制了有限变形和小变形的计算程序。通过实例对有限变形和小变形理论下的压力场、位移场和应力场等进行了分析。     

强夯作用下土体动力特性研究

讨论了用于计算土体动力压密有限元方程的建立及其数值计算方法,给出了山西化肥厂场地动力压密的数值解,得出了相应的应力场、位移场、加速度场等,计算结果与实测结果吻合较好。采用了新的分析模型研究了强夯后土体的振动特性,同弹性模型、理想弹塑性模型进行了比较,两个工程实例的计算结果表明,提出的新模型更加优越。     

裂纹面荷载作用下多裂纹应力强度因子计算

该文基于比例边界有限元法计算了裂纹面荷载作用下平面多裂纹应力强度因子.比例边界有限元法可以给出裂纹尖端位移场和应力场的解析表达式,该特点可以使应力强度因子根据定义直接计算,同时不需要对裂纹尖端进行特殊处理.联合子结构技术可以计算多裂纹问题的应力强度因子.数值算例表明该文方法是有效且高精确的,进而推广了比例边界有限元法的...     

海洋环境下桩-土相互作用问题的数值解

考虑波压力对海床土体应力状态的影响,基于Biot固结理论及虚拟桩技术对海洋桩-土相互作用体系进行了数学建模,并应用FlexPDE对所建立的数学模型进行了数值求解,得到了作用在桩体上的侧向土压力、桩体周围土体有效正应力以及自由场土体相对水平位移和相对垂直位移的分布,这些结果可为海洋桩基的设计与监测提供依据。     

外加应力作用下Ni75Al11.5V13.5合金时效沉淀相的定向粗化

为研究镍基合金Ni75Al11.5V13.5等温时效沉淀颗粒在外应力场作用下的长大,在三元微观相场模型中引入外加应力场,模拟1 046.5 K时效产物L12和D022在外加应力作用下的定向粗化.计算结果表明,微观相场模型可以模拟相结构和晶格中的原子配置,并能清晰地模拟有序相沉淀颗粒间界面.外加应力大小和方向以及持续施加的时间对L12沉淀时效行为有显著影响,施加的外加应力越大、持续时间越长,外加应力方向的定向粗化效应越明显.时效过程中,D022相在L12相与母相界面形核且D022相L12相的间隙中生长,其形态始终受L12相的制约.     

土体冻融过程中水、热、力三场耦合本构问题及数值分析

根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、水分场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。利用自行开发的程序进行数值模拟,加入我们推出的本构关系和所建立的数学力学模型,通过对冻土路基水分场、温度场、应力场三场的数值计算结果分析,得到了准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦合的计算结果。     

考虑FGM特性的双排管竖井冻结壁应力场分析

对双排管竖井冻结所形成的冻结壁等效成材料性质沿厚度呈梯形分布的功能梯度材料(FGM)无限长厚壁圆筒,通过求解均布荷载下该类厚壁圆筒的弹性解析解,并利用摩尔-库伦屈服准则求解其弹塑性解析解。根据解析解,进行双排管竖井冻结壁的应力场分析,将分析结果与均质冻结壁模型进行对比,提出对设计施工具有参考价值的建议。     

Research on visco-elastic-plastic creep model of artificially frozen soil under high confining pressures

The triaxial creep experiment of artificially frozen soil in deep alluvium was performed by a self-developed machine of triaxial creep frozen soil. After analyzing the experiment results, applying parabolic yield criterion for improved viscoplasticity in the Nishihara model, a new creep constitutive model was established for describing frozen-soil's creep characteristics under high confining pressures. The secondary development tools and data interface had been used to add the visco-elastic-plastic creep constitutive model to standard ADINA FEM. Numerical simulation of the shaft well excavation process and field measurement displacements of frozen wall were performed in the mine; and the results showed that the visco-elastic-plastic creep constitutive model was suitable and reasonable. This constitutive model could be significance for the frozen soil structure long-term stability analysing and the displacement forecasting.     

岩土的非线性冻结模型试验和相似准则

由于冰的比热和导热系数与水的比热和导热系数具有显著的差异性,因此土的比热和导热系数在冻结过程中是不断变化的。依据常热参数建立起来的温度场相似准则,难以准确反映土体在冻结过程中由热参数非线性引起的温度场演变。该文基于考虑热参数非线性变化的热传导微分方程,采用相似变换法导出了冻土模型试验中温度场的相似准则,并给出了采用原土进行模型试验时原型与模型应满足的相似关系。同时,在考虑第三类边界条件对相似准则影响的基础上,导出了模型土应满足的热物性相似条件。在此基础上,分别利用ABAQUS有限元软件对线性、非线性以及考虑第三类边界条件的原型和模型温度场进行了数值模拟,并对冻结过程中特征点的温度演变过程进行了分析。计算结果表明:建立的非线性导热相似准则能够正确反映原型冻土温度场的演变过程,说明模型土热参数的计算方法是合理的。同时表明,满足第三类边界条件的土体非线性冻结相似准则具有明确的物理意义和更高的实用价值。该研究成果为冻土模型试验中模型土的配制提供了切实合理的参数计算方法,为冻土水-热-力三场耦合模型试验的设计和实施提供了理论基础和技术支持。     

Experimental Study on Shear Localisation in Granular Materials Within Combined Strain and Stress Field

Abstract: The characteristic features of the shear zones formation in deforming granular materials were investigated using particle image velocimetry (PIV), which was combined with a photo‐elastic study of the stress field. Laboratory tests were performed for an active translation of rigid retaining wall. PIV is an optical technique for measuring displacement fields from successive digital images and was employed to analyse experiments on two different granular materials, composed of (1) sand grains and (2) glass granules. The tests on glass granules were supplemented by taking photo‐elastic images in circularly polarised light to gather information on changes in the average stress field, accompanying the specimen deformation. Attention was focused on the effect of the initial density, grain coarseness and magnitude of wall displacement on shear localisation within a strain field and its geometrical relation to some structures found in the stress field.     

深表土冻结壁变形规律

利用ANSYS软件建立数学模型,分析不同地压、不同冻结壁厚度、不同冻结壁平均温度、不同开挖段高与冻结壁变形之间的关系。通过研究发现,井帮位移随冻结壁平均温度的降低、冻结壁厚度的增大而减小,随施工段高增大、地层地压值的增大而增大,且地压值的变化对冻结壁的变形影响最为显著。据此提出了深表土冻结壁应按变形条件进行设计,且施工段高是影响冻结壁稳定性的极为重要的参数,在施工中应严格控制。研究提出当冻结壁厚度为10 m左右,平均温度达到-20℃时,采取降低冻结壁平均温度的方式比增加冻结壁厚度能更加有效地提高冻结壁的稳定性。研究成果对于指导深表土冻结工程设计与施工,实现矿井冻结工程安全、优质、高效、节能,具有重要的参考价值。     

倾斜场地中逆断层错动对上覆土体影响的模型试验研究

基于设计的断层错动装置和PIV技术,研究了倾斜场地条件下逆断层错动导致上覆土体破裂的过程,重点分析了场地倾斜对破裂带的扩展规律、土体变形和地表变形等的影响。研究结果表明:随着场地倾斜程度增大,破裂带露头时的基岩错动位移也随之增大;不同倾斜场地的破裂带露头倾角均与Rankine理论预测结果更为一致,而Roscoe理论和Vermeer理论的预测结果均有较大误差;断层错动过程中上盘土体应变（剪应变、正应变和等效应变）均大于下盘土体;随着地表倾斜程度增加,露头时刻地表位移和地表位移梯度均随之增大;同时,结合现场实测数据,对建构筑物与断层的避让距离的研究表明:相较于下盘,上盘地表建构筑物的断层避让距离应更大;而随着场地倾角由正变为负,上盘地表建构筑物的避让距离还应增大。