黄土中压力型锚索锚固段应力分析

为研究黄土地区压力型锚索锚固机理，根据压力型锚索锚固段受力状态，基于三线型剪切-滑移模型，推导了注浆体与岩土体界面在弹性阶段所对应的剪应力及轴向应力分布的闭合解．根据相关压力型锚索锚固试验数据，采用推导的闭合解计算了不同张拉荷载作用下界面的剪应力分布，并与试验结果进行了对比．结果表明，各级张拉荷载作用下注浆体/岩土体界面剪应力的分布及其最大值与试验结果基本吻合，验证了本文提出解析模型的正确性与可靠性；压力型锚索锚固界面剪应力呈指数分布规律，在承压板附近剪应力分布集中且应力较大，随着离承压板距离的增大，剪应力逐渐减小；压力型锚索锚固界面剪应力峰值随外荷载增大而增大．研究结果可为压力型锚索的设计和计算提供一种理论参考．     

含弱界面的微纳尺度双层梁的热弹性分析

众多微尺度实验已经证实了一些材料在微纳尺度下的力学行为具有尺寸效应.这种现象采用经典的弹性理论无法得到合理的解释,因而需要新的理论,修正偶应力理论就是其中一种.采用修正偶应力理论研究微纳尺度下两端自由铁木辛柯双层梁受热载荷后的弯曲响应,考虑两层之间存在弱界面.获得了梁的挠度、曲率以及界面剪力等表达式,并与经典弹性力学的结果进行了比较.通过分析计算可知,采用修正偶应力理论可预测微纳尺度下双层梁的尺寸效应,而当梁的特征尺寸远大于其材料的内禀尺度时,则与经典理论的结果一致.     

全长注浆锚杆锚固段剪应力分布特征试验研究

通过WES-50B型万能材料试验机对分别模拟高、中、低三种强度围岩介质的锚杆模型进行了拉拔试验。结果表明,锚杆锚固段的轴应变及第一、第二交界面的粘结应力分布按照负指数规律衰减。根据模型试验所得锚杆体轴应变试验结果,在一定简化假设的基础上,推导了以锚杆为代表的锚固结构轴力及第一、第二界面剪应力分布公式,分析了锚固结构在均匀介质中内锚固段应力、轴力及交界面的剪应力传递、衰减规律,探讨了拉拔力及介质强度对锚固段剪应力的影响。本文的研究为通过模型试验分析以锚杆为代表的锚固结构第一、第二界面剪应力分布提供了参考。     

考虑转动梯度的界面问题研究

在考虑转动梯度效应的基础上,对界面附近的应力状态进行了研究,首先应用摄动法求解了基于偶应力理论的准轴对称问题,并在此基础上分析了界面问题和边界约束效应,结果表明,在剪应力作用下,在界面附近和固定边界附近存在一组边界效应解,相对于经典的弹性理论结果,它对剪应力的可观的修正。     

土遗址楠竹锚固界面力学行为与传力机理研究

楠竹锚固技术是处理纵向裂隙引起的大型土遗址稳定问题的重要手段,但此类锚固系统传力机理尚不明确,成为制约其科学化、规模化应用的瓶颈。通过现场拉拔试验研究锚固界面力学行为,将识别出的完全脱粘现象通过摩擦段后的零剪应力段进行表征,建立适用于此类锚固界面的修正三线型粘结-滑移模型。在此基础上,提出基于ANSYS中非线性弹簧单元的锚固界面力学行为数值模拟方法,系统研究锚固系统传力机理。最后,通过与试验结果的对比验证了该模拟方法的可靠性。结果表明：锚杆/浆体界面的滑移失效是锚固系统破坏的主要原因,此类界面微段的受力过程可分为弹性、软化、摩擦和完全脱粘四个阶段,随荷载增加锚固界面高应力区逐渐由加载端向锚固端转移,界面进入完全脱粘阶段后剪应力趋近于零,极限锚固力和有效锚固长度均存在临界值;第一锚固界面传递至第二锚固界面的剪应力非常有限,遗址土体应力处于较低水平。研究结果能够为基于“安全第一,最小干预”原则的土遗址文物锚固优化设计提供参考。     

考虑表面效应的形状记忆合金纳米梁弯曲特性研究

形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMAs)因其具有形状记忆效应和超弹性,在航空航天、生物医疗、微机电系统领域中得到了广泛的应用．当微结构尺度达到微纳米，表面效应对微结构力学性能的影响是十分显著的．本文基于梁弯曲变形理论以及Gurtin-Murdoch表面弹性理论，考虑拉压不对称、温度对于SMA纳米梁的影响，建立了考虑表面效应的SMA纳米梁相变力学模型．分析了弯曲载荷、温度、表面残余应力以及表面弹性模量对SMA纳米梁力学性能的影响规律．研究表明在SMA纳米梁相变阶段，忽略和考虑表面效应所得的截面应力及应变相对误差较为明显；在相同弯矩下，随温度的增加SMA纳米梁的截面应力随之增加，并且表面效应对其影响有减小趋势；表面残余应力对SMA纳米梁的影响显著．该文研究结果为SMA纳米梁在微机电领域的设计以及应用提供了一定基础与依据．     

拉压不同弹性模量薄板上圆孔的应力分析

采用弹性理论研究了拉压不同弹性模量薄板上圆孔的孔边应力集中问题．采用广义虎克定律推导出了拉压不同弹性模量薄板上圆孔边的应力平衡方程,并联合利用应力函数及边界条件得到了拉压不同弹性模量薄板上圆孔边的应力表达式．算例分析表明,当薄板材料的拉压弹性模量相差较大时,采用经典弹性理论研究薄板上圆孔的孔边应力是不合适的,当经典弹性理论与拉压不同弹性模量弹性理论的计算结果间的差别超过工程允许误差5%时,应该采用拉压不同弹性模量弹性理论进行计算．     

基于图形测量技术的煤岩力学三轴试验研究

为研究初始围压对煤岩力学特性的影响，以王庄煤矿9105工作面煤体为研究对象，通过HC-SPT-100型高压三轴试验机、HC-U7型非金属超声波探测仪、4K科研相机等仪器，利用数字图像测量技术开展不同初始围压下原煤试件加载试验，探究不同围压对煤体弹性模量、峰值应变、残余应力和破坏裂隙的影响规律，研究结果表明：弹性模量、峰值应变和残余应力随围压的增大而增大；随围压的增大各峰值应变增长速率不同，轴向峰值应变增长速率最快，体峰值应变增长速率次之，径向峰值应变增长速率最慢；不同围压加载破坏下煤体裂隙特征明显，主要以斜交裂隙为主；采用Jaeger法求得不同围压下煤岩体破坏临界强度值与试验值比较误差较小，符合Jaeger单结构面理论．     

微薄梁三点弯曲的尺度效应研究

应用高灵敏度的力传感器以及时间序列电子散斑干涉法，同时测出了不同厚度纯镍薄片三点 弯曲试件的抗力与变形，得到薄梁中心点处的载荷与挠度曲线. 应用Fleck和Hutchinson 的偶应力理论，结合平面应变弯曲模型，建立了薄梁处于弹性状态和弹塑性状态的 控制方程, 应用Runge-Kutta法进行数值求解，并将计算得到的载荷-挠度曲线以及无量纲化弯矩-表面 应变曲线和实验结果进行了比较. 在理论计算过程中，没有拟合任何材料参数，所有的材料 参数均来自实验测量的结果，材料特征尺度也是根据Stolken和Evans的工作给出 的. 结果表明: 应用偶应力理论预测的结果和实验结果符合良好，而经典理论的预测结果与 实验不相符合.     

剪力对楔形变截面双模量梁弯曲应力的影响

推导出了楔形矩形变截面双模量梁的截面高度表达式,利用静力平衡方程确定了楔形矩形变截面双模量梁弯曲时的中性层位置,得到了楔形矩形变截面双模量梁的弯曲剪应力计算公式.在考虑剪切变形影响的基础上,利用楔形矩形变截面双模量梁的弯曲剪应力计算公式,推导出了楔形矩形变截面双模量梁弯曲正应力计算公式.通过算例分析,讨论分析了楔形矩形变截面双模量梁的楔度比、剪力、长高比等对矩形截面双模量梁弯曲正应力的影响.研究结果表明:随着楔度比的增大,楔形矩形变截面梁弯曲拉、压正应力绝对值逐渐减小.当矩形截面双模量梁的长高比小于一定比值,剪力会对楔形矩形变截面双模量梁弯曲正应力产生较大的影响.得到了拉压弹性模量相差较大的情况,采用经典材料力学理论进行楔形矩形变截面双模量梁的弯曲应力计算分析是不合适的,应该采用双模量材料力学理论对梁弯曲应力进行分析计算的结论.     

土遗址楠竹锚固界面传力过程研究

竹木锚固技术近年来被广泛应用于土遗址文物加固保护中,但其锚固界面传力机理尚不明确,严重制约着锚固技术的科学化、规模化应用.相关研究成果已经证实了合理的锚固界面粘结-滑移模型对锚固系统性能预测的重要性,本文在此基础上以楠竹-改性泥浆-夯土锚固系统为例,基于考虑完全脱粘现象的三线型粘结-滑移模型开展了锚固界面传力全过程研究.首先将锚固界面传力全过程分为6个连续阶段,分别对各阶段对应的界面应力、应变分布与演化过程进行理论解析,推导了锚杆轴向变形、界面滑移量、界面剪应力、界面剪应变等参数的封闭解,同时给出了极限锚固力与有效锚固长度的计算方法.在此基础上,通过识别载荷-位移曲线特征点对粘结-滑移模型参数进行了标定.最后采用两个土遗址原位拉拔试验对理论解析模型的合理性进行了对比验证,同时着重分析了锚固长度与锚杆轴向刚度两个因素对锚固性能的影响规律.本文提出的解析模型对存在完全脱粘现象的锚固界面传力过程分析具有广泛适用性,能够为土遗址锚固工程设计提供参考与指导.      

Discrete element modeling of the effect of particle size distribution on the small strain stiffness of granular soils

Discrete element modeling was used to investigate the effect of particle size distribution on the small strain shear stiffness of granular soils and explore the fundamental mechanism controlling this small strain shear stiffness at the particle level. The results indicate that the mean particle size has a negligible effect on the small strain shear modulus. The observed increase of the shear modulus with increasing particle size is caused by a scale effect. It is suggested that the ratio of sample size to the mean particle size should be larger than 11.5 to avoid this possible scale effect. At the same confining pressure and void ratio, the small strain shear modulus decreases as the coefficient of uniformity of the soil increases. The Poisson’s ratio decreases with decreasing void ratio and increasing confining pressure instead of being constant as is commonly assumed. Microscopic analyses indicate that the small strain shear stiffness and Poisson’s ratio depend uniquely on the soil’s coordination number.     

Exploring the undrained cyclic behavior of methane-hydrate-bearing sediments using CFD–DEM

Based on the mechanical experimental results of methane hydrate (MH), a bond contact model considering the rate-dependency of MH is proposed. A CFD–DEM scheme considering fluid compressibility is used to simulate a series of undrained cyclic shear tests of numerical methane-hydrate-bearing sediment (MHBS) samples. The dynamic behavior, including stress–strain relationship, dynamic shear modulus, and damping ratio, is investigated. In addition, the force chains, contact fabric and averaged pure rotation rate (APR) are examined to investigate the relationships between micromechanical variables and macromechanical responses in the DEM MH samples. The effects of temperature, confining pressure and MH saturation are also analyzed. Due to the micro-structural strengthening by the MH bonds, no obvious change in microscopic quantities is observed, and the samples remain at the elastic stage under the applied low-shear stress level. When confining pressure and MH saturation increase, the dynamic elastic modulus increases, while the damping ratio decreases. An increasing temperature (leading to weakening of MH bonds) can lower the dynamic elastic modulus, but has almost no impact on the damping ratio. On the contrary, an increasing cyclic shear stress level lowers the damping ratio, but has almost no effect on the dynamic elastic modulus.     

卸荷条件下粉质粘土变形性状研究

通过室内应力控制的三轴试验研究卸荷条件下土体的应力-应变关系和孔隙水压力变化特征,得到变形模量的确定方法。研究表明:在初始偏压应力固结条件下,无论是轴向压力保持不变而侧向压力不断卸荷,还是轴向压力和侧向压力同时卸荷,其应力-应变关系均表现为较好的双曲线函数关系。而且,侧向固结压力愈大,强度值愈大。在卸荷过程中,随剪切应力的增大和剪切应变的发展,土样呈现剪胀趋势并在后期产生较大的负孔隙水压力。不排水条件下由于负孔隙水压力的存在,土样的表观强度略有增大。     

An analysis of interface boundary layers based on the couple stress theory

Investigated in this paper are the effects of strain gradients on the stress distribution near an interface. The quasi axis-symmetry interface problem is solved by using the couple stress theory and the perturbation method. The results show that a boundary layer exists near an interface or a fixed boundary, where the shear stress perpendicular to the interface is significantly different from that obtained from the classical elasticity theory. Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 19891180).     

INFLUENCE OF DISPLACEMENT OF SATURATED SAND STRATUM ON PRE-STRESSED ANCHORS

土层变形是造成预应力值波动甚至失效的重要原因. 利用载荷位移传递函数,基于弹性理论建立了饱和粉细砂层变形过程中锚索受力模型,通过实例研究了锚索预应力值在施工过程中的变化规律及锚固体在地层变形中的受力特性,结果表明锚固体接触面剪切刚度,锚索倾斜角度以及锚固体直径都是影响锚固体内力及接触面剪切应力的重要因素,为类似的预应力锚索支护工程的设计施工提供经验.     

Love–Bishop rod solution based on strain gradient elasticity theory

In the present work, the propagation of longitudinal stress waves is investigated with a strain gradient elasticity theory given by Lam et al. In principle, the analysis of wave motion is based on the Love rod model including the lateral deformation effects, but in the same time is also taken into account the shear strain effects with Bishop?s correction. By applying Hamilton?s principle, a general explicit strain gradient elasticity solution is developed for the longitudinal stress waves, and it is compared with the special solutions based on the modified couple stress and classical theories. This work gives useful information with regard to the meaning of the three scale parameters in the strain gradient elasticity theory used here.     

循环剪切荷载作用下软土的力学性状研究

利用从现场取得的原状土样,通过室内动三轴试验对循环荷载作用下的变形、孔压和强度特性进行研究。试验研究主要考虑了周围固结压力、循环剪切应力比、荷载频率和循环次数等因素的影响。研究表明,在循环荷载作用下,孔隙水压力和轴向应变均是一个波动上升的过程。当循环应力比增大时,动孔隙水压力变化幅值显著增加,而残余孔压也较大。同时,孔隙水压力值也随着周围压力的增大而明显增大。当作用荷载频率比较大时,需要更多的循环次数才能达到小频率作用荷载能达到的孔隙水压力值。但是,随着循环荷载作用次数的增加,频率对孔隙水压力的影响有减小的趋势。     

黄河三角洲粉质土的动模量和阻尼比试验研究

结合室内共振柱和动三轴实验,对黄河三角洲饱和原状粉质土体(粉土、粉砂、粉质粘土)动模量和阻尼比的影响因素和发展规律进行了详细的研究。研究表明,在粉粒和粘粒含量对动模量的共同影响中,粉粒含量起着举足起重的作用;侧限压力对归一化剪模比和阻尼比的影响均较显著,相比粘粒含量的影响不大。通过与Seed建议的砂土及饱和粘土的G/Gmax~γ曲线和λ~γ曲线进行对比,结果显示研究区的粉质土相比一般的砂土和饱和粘土而言,其动力变形特性更接近于砂土,但是与砂土也存在着非常明显的差异;其发展规律与其他地区沉积粉质土也较为不同,具有明显的区域性。采用修正了的Hard in-D rnevich模型和对数模型分别对G/Gmax~γ曲线和λ~γ曲线进行拟合,给出了三类粉质土的归一化动力变形G/Gmax~γ/γr关系曲线,对模型中有关参数的影响因素做了初步的探讨。