面板堆石坝面板顺坡向挤压破坏机理的试验研究

本文针对面板堆石坝面板顺坡向挤压破坏的钢筋压曲凸起问题开展了试验研究,采用了配有单根立筋的混凝土柱受压试验来模拟面板顺坡向的挤压破坏。试验结果证实了以往研究中无箍筋钢筋混凝土立柱抗压强度低于素混凝土柱、且钢筋保护层厚度越小强度越低的推测。与素混凝土柱相比,保护层厚5 cm钢筋混凝土柱的强度降低约10％。根据试验的破坏荷载结果,通过已有理论解反推出了立柱的侧向支撑刚度k,对于保护层厚5 cm和8 cm立柱k值相应为0.841 N·mm^-2和1.032 N·mm^-2。经过试验结果分析,发现钢筋混凝土立柱各截面不服从应变平面假设,受压中钢筋没有同混凝土一起协调变形,钢筋与混凝土之间相互作用强烈。本研究结果再次说明,限制钢筋的侧向变形是防止面板顺坡向挤压破坏的根本措施。应开展可模拟混凝土中钢筋压曲的挤压破坏数值模拟研究,为这些措施的量化设计提供依据。     

带初始材性缺陷梁加固后力学模型研究

既有混凝土结构难免存在带有初始材性缺陷的 ＲＣ构件,其加固可行性及力学行为与正常混凝土构件不同,当前缺乏针对性研究成果。为此,采用玄武岩纤维（ＢＦＲＰ）布加固了 2根混凝土材性不符合设计要求的 ＲＣ梁,另有 1根未加固梁作为对比梁,共计测试了 3根梁。通过试验加载观察缺陷梁在加固前后的受力特征、破坏模式和极限抗弯承载力,分析相应的力学模型,最后根据极限状态下的破坏模式,采用“系杆 －拱”模型推导出缺陷梁加固后极限承载力计算公式。结果表明:随着外荷载和破坏程度的增加,加固梁由正截面抗弯模型进化到“梳状拱”受力模型,再变为极限状态下的“系杆 －拱”模型;梁底 ＢＦＲＰ布加固结合梁端 Ｕ型锚固措施可以有效提高缺陷梁的抗弯刚度、屈服荷载和极限承载力;提出的承载力计算公式计算值和试验值吻合良好且适中保守。     

考虑接触行为的U型渠道冻胀数值模拟

U型衬砌渠道具有良好的整体性和冻胀适应性,但在冬季仍极易因土体冻胀而导致破坏。考虑渠基冻土与衬砌接触面冻结的非线性特性和冻土、混凝土材料的塑性特征,建立能分析渠道基土与衬砌间挤压、脱开及滑移等接触力学行为的渠道冻胀破坏热力耦合数值模型。以宝鸡峡灌区塬下北干渠为原型渠道,按照模型是否考虑接触分别进行冻胀数值模拟,并对模拟结果进行对比分析。结果表明:考虑接触的模型模拟结果与原型实测值更相符,更能合理地解释U型渠道冻胀在渠底与阴坡衔接处冻胀量最小;考虑接触的混凝土塑性应变最大值是不考虑接触时的3.76倍;考虑接触的法向冻胀力和切向冻结力更均匀,最大值均减少1.5~3.0倍,应力集中现象减弱,更能反映混凝土衬砌板与渠基土之间的滑移变形与破坏准则的相互作用。研究结果为U型衬砌渠道冻胀破坏规律提供了分析方法。     

多溶洞地层桩端极限承载力下限有限元法分析

为计算多溶洞地层桩基的极限承载力,通过MatLab平台编制了用于分析多溶洞地层桩端极限承载力下限的有限元法计算程序。采用平面应变模型,并假定材料符合Mohr-Coulomb准则和塑性关联流动法则。定义无量纲参数N来衡量各参数对桩端极限承载力的影响。根据桩与溶洞间的相对位置关系,详细探讨了6种工况下桩端极限承载力的变化规律,并分析了嵌岩深度h_r、上覆土层自重q_s和溶洞直径D的影响程度。分析结果表明:桩端极限承载力随h_r的增大而增大,随D的增大而减小,而q_s的影响基本可忽略不计。此外,还对不同工况下桩端的极限破坏模式进行了分析。最后,通过考虑无溶洞、有溶洞下的2种桩基算例,验证了本文方法的正确性。     

规则表面节理剪切力学行为研究

运用颗粒流软件中平行粘结方式建立岩石节理直剪模型,用smooth-joint接触方式生成两种规则节理表面。在不同法向荷载下进行直剪试验,研究了法向荷载与峰值剪切强度的关系和剪切破坏特征,以及法向位移、接触力和微裂隙数量随剪切位移的变化情况。发现规则节理的峰值剪切强度随锯齿倾角和台阶数量增加而增加,且与法向应力有较好的线性关系;节理表面颗粒接触力随外荷载和剪切过程而变化,易在锯齿尖端和台阶转折处密集分布;锯齿节理的锯齿尖端被剪断,但台阶节理沿台阶根部被剪断,法向位移因沿锯齿爬坡或被剪断的台阶顺时针旋转而增加;微裂隙数量在剪切过程中经历增长缓慢、快速增加阶段,最后趋于不再增加。     

纳米尺度界面低周疲劳破坏行为

为了研究纳米尺度界面的低周疲劳破坏特性,提出了一种利用聚焦离子束(FIB)技术和透射电子显微镜(TEM)进行纳米材料中界面疲劳破坏实验的新方法。采用FIB从宏观多层薄膜材料(硅/铜/氮化硅,Si/Cu/SiN)中成功制备出了由硅基体(Si)、200nm厚铜薄膜(Cu)及1000nm厚氮化硅层(SiN)构成的纳米悬臂梁试样。利用高精度微小材料加载装置,在TEM下对该试样进行了循环加载实验,并原位观测了不同试样中Cu/Si界面的低周疲劳破坏过程。研究发现,由于铜纳米薄膜的高屈服强度及两侧材料对其的变形约束,Cu/Si界面的疲劳强度在GPa量级。实验获得的应力幅值与界面破坏的载荷循环周数(S-N)曲线表明,在高应力水平区,界面的疲劳寿命显著依赖于施加应力的大小;在低应力水平区则存在疲劳极限。并且,Cu/Si界面的疲劳极限与单调加载实验中界面断裂应力的比值远大于宏观材料,这说明纳米尺度界面的低周疲劳破坏过程是一个脆性断裂的过程。     

全轻混凝土与钢筋粘结破坏的能量分析

为了探讨钢筋与全轻混凝土之间的粘结破坏机理,通过全轻混凝土与光圆钢筋和月牙肋钢筋进行的拉拔试验发现,粘结破坏只有劈裂破坏和拔出破坏2种形式;但光圆钢筋只发生拔出破坏,而且月牙肋钢筋对粘结破坏的耗能贡献率远大于光圆钢筋.其次,全轻混凝土与钢筋粘结的能量机制与普通混凝土基本一致,并以能量耗散和能量释放2种类型为主;但前者的总能耗-位移(W-S)曲线突变较为平缓,且突变点也较提前.而根据发生劈裂破坏且钢筋直径d为16、20mm时的试件,较发生拔出破坏且d为12mm时的试件,其总能耗仅为后者的19.7%和30%的结论,进一步表明当钢筋混凝土结构采用能量设计原则较传统的强度设计原则时,更加合理且更易保证结构的延性,从而有利于提高结构的抗震性能.     

GFRP肋式剪力连接件受力性能对比试验研究

剪力连接件是保证GFRP混凝土组合梁/板中两种不同材料共同工作的重要构造,设计了矩形肋和T形肋两类GFRP肋式剪力连接件,进行了3组共8个GFRP肋式剪力连接件的推出试验,包括：矩形肋开孔、T形肋开孔、T形肋不开孔3组GFRP肋式剪力连接件,得到了其破坏形态、极限承载力、荷载滑移曲线及荷载应变变化规律,重点研究肋内开孔及肋的截面形式对GFRP肋式剪力连接件受力性能的影响。试验结果表明：GFRP肋式剪力连接件的破坏形态均为混凝土劈裂破坏;对比矩形肋开孔试件,T形肋开孔试件强度高、延性好;对比T形肋不开孔试件,T形肋开孔试件强度与延性均能提高。基于试验结果,建立了考虑肋内开孔及肋截面形式影响的GFRP肋式剪力连接件极限承载力计算公式,拟合得到了GFRP肋式剪力连接件的荷载滑移曲线上升段的理论模型,建立了其抗剪刚度计算公式。     

大断面巷道掘进围岩条件震波联合测试模拟研究

为探测大断面巷道掘进过程中前方地质条件及周边围岩特征,采用地震波CT与巷道内的反射波相结合进行勘探。基于地震波的数值模拟技术模拟巷道超前跨孔地震波CT勘探和反射地震偏移成像,并对结果进行数据融合,用来联合判断围岩破坏特征及超前地质条件预报。结果表明,2种方法数据的融合可以提高巷道周边地质条件判断的准确率。掘进工作面跨孔震波CT可为大断面巷道的地质预报提供新的依据,融合震波CT及反射偏移成像结果,可以为安全技术措施制定提供参数,对安全掘进至关重要。     

纤维增强珊瑚混凝土的力学性能研究及破坏形态分析

采用天然珊瑚碎屑作为粗骨料,研究在水灰比为0.4的条件下不同掺量的碳纤维、聚丙烯纤维和剑麻纤维珊瑚混凝土的基本力学指标。试验表明,随着纤维掺量的增加,珊瑚混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量均呈现先增加后减小的趋势,总体来看,最优碳纤维掺量为2 kg/m3,最优聚丙烯纤维掺量也是2 kg/m3,最优剑麻纤维掺量为4.5kg/m3。当掺入纤维过量时,珊瑚混凝土分散性降低,从而增加浆体薄弱界面,无法发挥其增强、增韧的效应反而使其强度有所下降。纤维材料能明显改善珊瑚混凝土的脆性,增加韧性,使其抗折性能显著提高,改变珊瑚混凝土的破坏形态,试件破坏时依然能保持良好的整体性。