回转体头部通气入水流场演化与载荷特性数值预报研究

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间，有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制，提出了一种基于岩石HJC （Holmquist-Johnson-Cook）模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性，并在此基础上，通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟，分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明：插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足，且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤，能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例，根据数值模拟结果，填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显，破碎区比例半径为0.26 m/kg^1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg^1/3。随着硐室尺寸的增大，空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用，比例半径达到0.52 m/kg^1/3时，可以实现爆炸荷载的完全解耦。     

远距离近地面爆炸空气冲击波计算的网格尺寸优化与验证

建筑结构上爆炸荷载的确定是进行结构动态响应和损伤破坏分析以及结构抗爆设计和加固的前提。考虑到空气爆炸冲击波远距离传播数值模拟计算效率和精度以及软硬件能力的平衡问题，通过确定和优化网格尺寸，从而为大型复杂街区爆炸冲击波荷载的数值模拟网格尺寸选取提供合理建议。针对汽车炸弹和弹药库等典型近地面爆炸场景，首先，使用AUTODYN软件分别开展比例距离为0.2～5.0 m/kg1/3和0.2～39.0 m/kg1/3的空中爆炸自由场和地面爆炸入射场超压和冲量的单一尺寸网格敏感性分析，并考虑软硬件对单元网格数量的限制，给出依赖比例距离的渐变网格尺寸建议。其次，基于映射算法和建议的渐变尺寸网格对地面爆炸入射场超压和冲量进行数值模拟，提出了比例距离大于10.0 m/kg1/3的峰值超压误差修正方法，并得到UFC 3-340-02规范的验证。最后，基于足尺房屋爆炸荷载分布试验共71个测点的超压和冲量时程数据，对提出的优化网格尺寸的计算精度和效率进行了验证。     

考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程研究

针对岩石爆破爆炸荷载历程中未联合考虑岩石爆破动态过程和炮孔周围岩体破坏分区的不足,开展了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程及其适用性研究。联合岩石爆破动态过程和岩体破坏分区的理论解,推导了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式,比较了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程与实测炮孔爆炸压力曲线,开展了单孔爆破现场试验和相应条件下3种爆炸荷载工况的数值模拟,并对爆破振动现场实测和数值模拟结果进行了对比。研究结果表明：考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程包括上升段和衰减段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,上升段持续时间极短,衰减段持续时间较长且主要由填塞情况控制;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程理论计算结果与实测炮孔爆炸压力曲线的变化趋势一致,验证了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式的可靠性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载工况下,单孔爆破振动波形的数值模拟结果与现场实测结果的主要特征一致,该荷载工况下质点峰值振速计算结果与现场实测值偏差率最小,绝大部分在7%以内,表明了其应用于数值模拟的优越性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载可随岩石爆破系统条件的变化而动态调整,其可靠性好、适应性强、应用效果佳。     

损伤围岩中爆炸应力波动的数值模拟

应用有限元方法分析了硐室损伤围岩中爆炸应力波的传播和应力分布特征，通过引入JHC本构模型和岩石损伤变量D探讨了应力波作用下岩体的损伤演化模式。研究表明:围岩初始损伤对后续爆炸应力波的波动性质、作用范围和围岩应力分布具有不同程度的影响。当初始损伤超过某临界值后会显著地影响应力波的波动范围和围岩应力分布；在一定爆炸当量下，爆炸应力存在一个有效作用范围Lp，该范围塑性区以内，爆炸应力对岩体的损伤随围岩初始损伤增大而增大；有效作用范围Lp以外，围岩初始残余非弹性变形积累和单元残余拉应力可以平衡爆炸应力波动产生的损伤叠加效应，耗散了爆炸应力作用和波动能量。分析了产生在这种现象的原因。给出了有效作用范围Lp与围岩初始等效应力p之间的经验关系。     

岩石爆破开挖诱发振动的等效模拟方法

岩石爆破开挖过程中爆炸荷载的复杂性、岩石介质模型的多变性、本构方程的多样性、以及群孔爆 破模拟计算工作量巨大等诸多因素使得准确模拟爆破诱发的围岩振动存在较大的困难,鉴于此提出一种等 效数值模拟方法。根据爆破过程炮孔周围岩石破坏范围的空间分布特征,确定群孔起爆条件下爆炸荷载作用 的等效弹性边界;通过分析炸药起爆后炮孔空腔动力膨胀、岩体裂纹扩展、炮孔堵塞物运动以及爆生气体的逸 出,计算了等效边界上沿炮孔轴向变化的爆炸荷载。结合瀑布沟水电站1# 尾水隧洞爆破开挖监测,基于动力 有限元法运用该等效技术模拟了围岩的质点振动速度。数值模拟与现场实测数据的对比表明该等效模拟技 术用于岩石爆破开挖围岩响应的计算是合适的。计算结果同时还显示,等效边界邻近岩体力学参数的选取对 计算结果有重要影响。     

爆炸载荷作用下混凝土靶板动态响应的细观模拟

考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁,利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸（接触爆炸、封闭爆炸）载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟,并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构（包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等）以及三相材料力学性能的影响,准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知,细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸,以及封闭爆炸条件下混凝土盖板的主裂纹数量,均与实验观察更为贴近。此外,参数研究结果表明,三维细观力学模型的全局网格尺寸以及模型内各组分的相对网格尺寸均会对模拟结果的精度产生影响,选择与空气网格尺寸相当的混凝土网格尺寸,可以在获得较准确模拟结果的同时保证计算效率;骨料粒径大小也会影响混凝土板在爆炸载荷作用下的响应和破坏结果。混凝土三维细观力学模型能够反映混凝土结构在冲击载荷作用下的损伤和破坏的细观机理及影响因素,对指导工程设计和结构安全评估具有重要的理论意义和实际应用价值。     

爆炸荷载下基于细观建模的素/钢筋混凝土板破坏模式

为了获得爆炸荷载下细观结构对素/钢筋混凝土板的影响，采用随机骨料投放建立了素/钢筋混凝土板细观模型。利用LS-DYNA对基于细观建模的钢筋混凝土板进行爆炸荷载作用下的数值模拟，通过与实验以及均质建模方法进行比较，验证了细观建模方法的准确性。进而研究了基于细观建模的素/钢筋混凝土板在不同爆炸荷载下的结构响应，获得了素/钢筋混凝土板的响应过程和破坏模式。结果表明:在低药量（1、2 kg）爆炸荷载下，细观结构对素/钢筋混凝土板的影响较小，其破坏模式以纵横塑性铰线破坏为主，药量越大，铰线越多；在高药量（5、10和15 kg）爆炸荷载下，细观结构对素/钢筋混凝土板的影响较大，与均质模型相比存在较大差异，细观素/钢筋混凝土板以爆坑为中心，产生环向与径向裂纹，药量越大，圆坑越大，裂纹越多，板局部破坏越严重。     

围岩应力重分布对隧洞爆生裂隙区比例半径的影响

基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机理的研究,采用莫尔库伦准则及最大拉应力准则,研究了围岩应力重分布对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明,围岩应力重分布对爆生裂隙区比例半径有重要影响,隧洞围岩应力重分布将减小隧洞径向爆生裂隙区比例半径,压剪破坏模式下,爆生裂隙区比例半径可降低20％以上,拉伸破坏模式下可降低10％以上。爆炸应力波作用下,岩体更容易沿结构弱面发生压剪破坏。利用围岩的应力重分布作用,可以降低爆破对保留岩体的损伤作用。     

混凝土爆破损伤的SPH-FEM耦合法数值模拟

为了提高计算效率以及更好展现爆炸荷载下混凝土破坏过程,采用SPH-FEM耦合法对混凝土爆破成坑进行模拟。首先结合前人给出的C30混凝土Holmquist-Johnson-Cook（HJC）部分本构参数,通过理论推导等方法确定出剩余的参数;然后代入模型中计算,将数值解与实测数据进行对比;最后以峰值压力和峰值加速度作为考察对象,对HJC模型中21个参数敏感性进行分析。结果表明:SPH-FEM耦合法能直观地模拟爆炸荷载作用下爆坑的发展全过程,且能够较好地处理SPH边界问题;基于所给出的C30混凝土HJC本构参数,采用SPH-FEM耦合法对混凝土爆破破坏进行模拟,计算结果与实测数据吻合度高,表明HJC本构参数的确定具有合理性。此外,还发现HJC本构参数对爆破问题结果的敏感度各不相同,指出对峰值压力和峰值加速度均有较大影响的参数在确定的时候需引起足够的重视。     

爆炸冲击波作用下围岩与被覆结构的动力相互作用

爆炸作用下围岩与被覆结构的动力相互作用对于合理确定防护结构荷载、科学设计被覆结构具有重要意义。运用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流-固耦合算法,对垂直爆炸作用下不同爆距、不同跨度的地下结构与围岩的动力相互作用进行了数值模拟,应用波动理论进行了动力相互作用力分析,讨论了相互作用动载计算公式在岩石结构中的适用性,得到了围岩与被覆结构的最大相互作用力变化规律。研究结果表明:在距拱顶1~25 m垂直爆炸作用下,14~25 m跨地下结构都发生了拱顶局部破坏,整个拱的混凝土均会产生震动裂缝;当爆距为4 m时,围岩与结构的动力耦合作用最大,可以作为确定最大荷载的依据。     

混凝土黏聚开裂模型若干进展

黏聚模型是用来描述混凝土断裂行为的基本模型, 首先介绍了混凝土的黏聚开裂模型的基本概念,总结了确定黏聚区的本构方程的各种方法,即直接单轴拉伸测试、J积分方法、R曲线法、柔度法和逆推法.然后介绍了黏聚模型在I型和复合型裂纹问题、疲劳断裂问题中的应用以及黏聚模型与混凝土尺寸效应的关系.最后对黏聚开裂模型与桥联模型、带状裂缝模型进行了比较和总结, 指出了该模型存在的问题, 并对其以后的发展方向提出了建议.      

锦屏一级水电站地下厂区破坏成因分析

锦屏一级水电站地下厂区位于雅砻江右岸一套大理岩地层中,埋深350m,地下厂区洞室在开挖过程中,围岩出现各种变形破坏现象。通过分析破坏现象,总结了破坏现象的规律性：主厂房及主变室破坏现象主要集中在下游边墙顶拱,破坏方式以岩体开裂为主; 母线洞及压力管道下平段破坏现象主要集中在顶拱外侧,破坏方式以弯折破坏为主。最后利用数值模拟结果解释了径向应力大于岩体强度是引起锚索超限的原因。     

Theoretical development and experimental validation of a thermally dissipative cohesive zone model for dynamic fracture of amorphous polymers

A thermally dissipative cohesive zone model is developed for predicting the temperature increase at the tip of a crack propagating dynamically in a nominally brittle material exhibiting a cohesive-type failure such as crazing. The model assumes that fracture energy supplied to the crack tip region that is in excess of that needed for the creation of new free surfaces during crack advance is converted to heat within the cohesive zone. Bulk dissipation mechanisms, such as plasticity, are not accounted for. Several cohesive traction laws are examined, and the model is then used to make predictions of crack tip heating at various crack propagation speeds in the nominally brittle amorphous polymer PMMA, observed to fail by a crazing-type mechanism. The heating predictions are compared to experimental data where the temperature field surrounding a high speed crack in PMMA was measured. Measurements are made in real time using a multi-point high speed HgCdTe infrared radiation detector array. At the same time as temperature, simultaneous measurement of fracture energy is made by a strain gauge technique, and crack tip speed is monitored through a resistance ladder method. Material strength can be estimated through uniaxial tension tests, thus minimizing the need for parameter fitting in the stress-opening traction law. Excellent agreement between experiments and theory is found for two of the cohesive traction law temperature predictions, but only for the case where a single craze is active during the dynamic fracture of PMMA, i.e. crack tip speed up to approximately 0.2c_R. For higher speed fracture where subsurface damage becomes prominent, the line dissipation model of a cohesive zone is inadequate, and a distributed damage model is needed.     

不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破的数值模拟

在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖工程中,爆破法仍是一种主要的破岩方法. 实际天然岩体中存在的裂隙、节理等不连续面和所处的地应力场环境,都会对爆破荷载传播过程和最终的破碎效果产生重要影响. 本文把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用两个独立的先后作用过程,同时考虑初始应力场的静态作用,建立岩石爆破的力学模型. 基于渗流方程描述爆生气体在爆生裂纹中的传播过程,进而基于流固耦合理论实现爆生气体准静态压力对裂纹尖端的力学作用. 爆炸应力波主要在孔周引起压碎区和径向微裂纹区,随后爆生气体压力楔入径向裂纹尖端,促使裂纹进一步扩展,形成径向主裂纹. 数值模型可以再现孔周压碎区、径向微裂纹区、径向主裂纹区萌生、扩展的完整演化过程. 针对不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破过程的数值模拟结果表明,初始地应力场的压应力作用不利于爆生裂纹的萌生与扩展,但节理的存在对裂纹的扩展具有明显的导向和促进作用,有利于爆生裂纹沿节理面方向的扩展.      

某大型地下洞室群围岩稳定性分类研究

根据地下洞室群的特点 ,选取岩体质量综合级别、块体状况、开挖位移及破坏区、岩爆烈度四因素为分类指标 ,建立了大型地下洞室群围岩稳定性分类体系。针对不同稳定性等级 ,提供了相应的开挖方式和支护处理建议。最后 ,运用该分类体系对某地下洞室群的主厂房进行了分析评价。     

Cohesive fracture simulation and failure modes of FRP–concrete bonded interfaces

A work-of-fracture method using three-point bend beam (3PBB) specimen, commonly employed to determine the fracture energy of concrete, is adapted to evaluate the mode-I cohesive fracture of fiber reinforced plastic (FRP) composite–concrete adhesively bonded interfaces. In this study, a bilinear damage cohesive zone model (CZM) is used to simulate cohesive fracture of FRP–concrete bonded interfaces. The interface cohesive process damage model is proposed to simulate the adhesive–concrete interface debonding; while a tensile plastic damage model is used to account for the cohesive cracking of concrete near the bond line. The influences of the important interface parameters, such as the interface cohesive strength, concrete tensile strength, critical interface energy, and concrete fracture energy, on the interface failure modes and load-carrying capacity are discussed in detail through a numerical finite element parametric study. The results of numerical simulations indicate that there is a transition of the failure modes controlling the interface fracture process. Three failure modes in the mode-I fracture of FRP–concrete interface bond are identified: (1) complete adhesive–concrete interface debonding (a weak bond), (2) complete concrete cohesive cracking near the bond line (a strong bond), and (3) a combined failure of interface debonding and concrete cohesive cracking. With the change of interface parameters, the transition of failure modes from interface debonding to concrete cohesive cracking is captured, and such a transition cannot be revealed by using a conventional fracture mechanics-based approach, in which only an energy criterion for fracture is employed. The proposed cohesive damage models for the interface and concrete combined with the numerical finite element simulation can be used to analyze the interface fracture process, predict the load-carrying capacity and ductility, and optimize the interface design, and they can further shed new light on the interface failure modes and transition mechanism which emulate the practical application.     

Intersonic crack propagation in homogeneous media under shear-dominated loading: theoretical analysis

The mechanics of cohesive failure under mixed-mode loading is investigated for the case of a steadily propagating subsonic and intersonic dynamic crack subjected to a follower tensile and shear distributed load. The cohesive failure model chosen in this study is rate independent but accounts for the coupling between normal and tangential damage. Special emphasis is placed here on mixed-mode cases with predominantly shear loading. The analysis shows that the size of the mixed-mode cohesive zone is smaller than that obtained in the pure shear case. The relative extent of the shear and tensile cohesive damage zones depends on the crack speed and the mode mixity. In the intersonic regime, the failure process takes place exclusively in shear, even under remote mixed-mode loading conditions.     

Localization of deformation and stress–strain relation for mesoscopic heterogeneous brittle rock materials under unloading

Stress redistribution induced by excavation of underground engineering and slope engineering results in the unloading zone in parts of surrounding rock masses. The mechanical behaviors of crack-weakened rock masses under unloading are different from those of crack-weakened rock masses under loading. A micromechanics-based model has been proposed for brittle rock material undergoing irreversible changes of their microscopic structures due to microcrack growth when axial stress is held constant while lateral confinement is reduced. The basic idea of the present model is to classify the constitution relation of rock material into four stages including some of the stages of linear elasticity, pre-peak nonlinear hardening, rapid stress drop, and strain softening, and to investigate their corresponding micromechanical damage mechanisms individually. Special attention is paid to the transition from structure rearrangements on microscale to the macroscopic inelastic strain, to the transition from distribution damage to localization of damage and the transition from homogeneous deformation to localization of deformation. The closed-form explicit expression for the complete stress–strain relation of rock materials containing cracks under unloading is obtained. The results show that the complete stress–strain relation and the strength of rock materials under unloading depend on the crack spacing, the fracture toughness of rock materials, orientation of the cracks, the crack half-length and the crack density parameter.     

雁形裂纹扩展的模型试验及断裂力学机制研究

通过相似材料模拟试验的方法研究了双轴压缩载荷作用下闭合雁形裂纹的起裂、扩展和岩桥的贯穿机理，得到了双轴压缩载荷作用下，不同方位雁形裂纹的开裂角、起裂载荷、岩桥贯通载荷及临界失稳载荷等重要的断裂力学参数，提出岩桥的破坏模式有剪切破坏、拉剪复合破坏和翼裂纹扩展三种