围压对巴西圆盘应力强度因子影响的数值分析

为了验证巴西圆盘在围压作用下应力强度因子公式的正确性,论文使用有限元分析方法计算了不同相对裂纹长度下围压单独作用以及围压与集中力共同作用时巴西圆盘的应力强度因子,并与解析解进行了对比分析.计算结果表明:纯围压作用下巴西圆盘的应力强度因子的解析解与数值解结果非常接近,两者的相对误差最大仅为0.535%;围压与集中力共同作用时的I型应力强度因子解析解与数值解也非常吻合,两者计算误差很小,仅在纯II型裂纹临界加载角附近有较大误差,但最大相对误差仅为2%,从而证明了巴西圆盘在围压作用下应力强度因子公式的有效性和可靠性.计算结果亦表明:直接将试件放在液体中加压去研究围压对断裂韧度的影响,在实验方法上缺乏理论依据.     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法.方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时,经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题.方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合,导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系ζ平面内的解析式,然后通过保角变换求得直角坐标系Z平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形.将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中,得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解,并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性.由结果可知:围岩冻胀力对衬砌影响明显,在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大;在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力;由于衬砌几何形状的原因,造成了衬砌冻胀变形的不均匀,进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际,较以往研究更能反映实际工况.研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法. 方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时, 经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题. 方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合, 导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系$\zeta $平面内的解析式, 然后通过保角变换求得直角坐标系$Z$平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形. 将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中, 得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解, 并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性. 由结果可知: 围岩冻胀力对衬砌影响明显, 在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大; 在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力; 由于衬砌几何形状的原因, 造成了衬砌冻胀变形的不均匀, 进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际, 较以往研究更能反映实际工况. 研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.      

考虑拉压异性徐变的高混凝土坝实测应变转换应力探讨

应变计组实测应变转换为应力与混凝土的徐变特性有关,本文探讨了基于拉压异性徐变的高混凝土坝实测应变转换为应力。首先针对施工期高混凝土坝实测应变存在监测误差,基于实测应变建立的统计模型,获得拟合应变过程线;然后采用应力增量法,基于线性叠加假设,导出了考虑拉伸压缩异性徐变的实测应变转换应力计算公式。结合某高混凝土坝工程应变计组实测应变,对比分析了拉压一致徐变、拉压异性徐变转换应力的差异。分析结果表明,考虑拉压异性徐变后,由于拉伸徐变度小于压缩徐变度,计算应力向拉应力方向偏移,且随时间的增加,偏移量缓慢增加。     

浅埋隧道围岩应力场的解析解

隧道围岩应力和变形分析是隧道设计的重要内容。对深埋隧道的研究已取得了很多结果。但对于受地表边界和地面荷载的影响，浅埋隧道围岩分析在数学处理上仍存在一定的困难。一般采用边界元或有限元等数值方法，未见有解析解的报导。本文采用复变函数解法研究地面荷载作用下浅埋圆形隧道围岩的平面弹性问题，该解法利用复变函数保角变换将物理平面上的研究域映射到像平面上的圆环域内。将复势函数进行罗伦级数展开，通过边界条件得到罗伦级数展开式系数的递推公式，并由复势函数确定应力分量和位移分量。最后通过算例给出了围岩应力分布和沉降曲线。所得结果适用于任意分布荷载的情况，具有通用性。     

双向荷载条件下八边形蜂窝结构因胞壁缺失所致应力集中分析

因胞壁缺失引起的应力集中现象是蜂窝结构在增材制造过程中亟待解决的问题，通过将胞壁缺失所致的缺陷等效成椭圆，基于复变函数方法得到了预测拉伸应力的解析公式和预测弯矩应力的分析方法，进而得到八边形蜂窝结构在双向荷载条件下缺失单行和多行胞壁产生的应力组合值。与数值模拟结果的对比分析验证了所提理论解析公式的有效性；同时得出距离缺陷最近胞壁上的拉伸应力解析解与数值解吻合良好，弯矩应力数值解与胞壁上的应力梯度呈明显的线性关系。与规则六边形蜂窝在多行缺陷条件下的应力集中程度进行对比，得出八边形蜂窝结构在荷载系数 和 时应力集中程度小于规则六边形蜂窝结构，从而为蜂窝结构增材制造设计提供理论指导。     

基于Mindlin解的桩基础最终沉降计算的应力面积法

利用Ｍｉｎｄｌｉｎ竖向附加应力公式，通过积分得到地基内矩形面积上三角形分布荷载作用下角点下竖向附加应力解析式，并通过对地基内矩形面积上均布和三角形分布载荷作用下角点下竖向附加应力公式关于深度进行积分，得到了计算角点下竖附加应力面积的解析式，根据解析式制表格，可供运用应力面积法进行群桩实体基础等的最终沉降计算时查用。     

某黄土隧道病害原因分析及处治措施

某黄土公路隧道在通车运营几年后出现了衬砌开裂及隧道沉降病害。通过对该黄土公路隧道病害的监测及其发展过程的分析,得出黄土工程特性、地表水及黄土隧道埋深是造成隧道病害的主要影响因素。针对上述隧道病害,本文提出用有限元计算分析方法对4种不同工况下的加固方案进行分析,结果表明对结构的局部补强和对地表水的处理,结构与土体之间应力的传递和消散作用使得应力逐步得到调整与改善,最后对拱脚的加固使得隧道结构的整体性进一步加强,应力分布更加合理,承受荷载的能力进一步提高。故而本文提出,该隧道衬砌裂缝应进行修补加固,同时对拱脚地基采用树根桩和夯扩桩加固的方法可以提高隧道安全通行能力。     

边坡下伏地下圆形洞室的弹性应力解析

根据洞室与边坡的相对位置,将其分为深埋地下洞室与浅埋地下洞室,并分别建立了计算模型。将浅埋圆形洞室视为分布荷载作用下半无限体表面附近的孔洞的应力分析问题,采取复变函数的保角映射得到了浅埋洞室的应力解析解。将深埋洞室视为一个双向受压无限板孔应力集中问题,得到了边坡下伏深埋圆形洞室的应力解析解。以某填筑边坡下地下圆形洞室为例,计算得到了浅埋圆形洞室周边的径向应力与环向应力分布,计算结果表明洞室圆心水平线上的环向压应力随着与洞周距离的增加逐渐减小,但径向压应力却是首先增加,然后才逐步减小。洞顶圆周出现环向拉应力,随着越来越接近地表,环向应力逐步转变为压应力并且越来越大,而径向应力逐渐变大。洞周环向拉应力在洞顶与洞底数值最大,洞室左右两端洞周环向压应力数值最大;洞周径向应力在洞顶、洞底数值较小,左右两端洞周应力最大。     

平面幂律塑性Ⅰ型裂纹尖端应力场全解

在航空航天、船舶、石油管道和核电等领域,服役结构或部件在长期极端条件下运行,不可避免地会产生裂纹,因此,为研究含裂纹结构的准静态断裂行为,必须了解裂纹尖端附近区域的应力应变场特点.对于幂律材料裂纹构元,研究平面应变和平面应力条件下Ⅰ型裂纹尖端应力场的解析分布.基于能量密度等效和量纲分析,推导了能量密度中值点代表性体积单元(representative volume element, RVE)的等效应力解析方程,并定义其为应力因子,进而针对有限平面应变和平面应力紧凑拉伸(compact tension, CT)试样和单边裂纹弯曲(single edge bend, SEB)试样,以应力因子作为应力特征量,并构造用于表征裂尖等效应力等值线的蝶翅轮廓式和扇贝轮廓式三角特殊函数,提出描述幂律塑性条件下平面I型裂纹尖端应力场的半解析模型.该半解析模型形式简单,对CT和SEB试样的裂尖应力场的预测结果与有限元分析的结果比较表明,两者之间均密切吻合,模型公式可直接用于预测Ⅰ型裂纹尖端应力分布,方便于断裂安全评价和理论发展.     

隧道施工中围岩与支护结构的黏弹性分析

本文结合某高速公路隧道设计与施工,利用黏弹性理论,对隧道围岩与支护结构时间相依应力与位移进行了研究。首先,将隧道开挖后围岩受力分析视为具有初始应力、在洞周位移作用下的边值问题,导出了隧道时间相依的围岩与支护结构应力与位移,结果表明,其应力和位移与隧道围岩和支护结构间相互作用相关。然后,利用变形协调条件,导出了隧道围岩与支护结构间的相互作用,结果表明,围岩、初期支护与二次衬砌之间的相互作用不仅与围岩和衬砌的材料性质、结构尺寸相关,而且与施做初衬和二衬的时间相关。最后,结合具体隧道设计与施工,利用本文时间相依应力,对围岩应力释放与支护施做时机、载荷分配与支护结构受力分析进行了探讨,给出了不同荷载分担比下二次衬砌的受力与变形,为隧道施工与设计提供参考。     

铁路隧道基底破坏力学形态的试验研究

针对既有铁路隧道底部病害严重的现状，采用模型试验方法对该问题进行了研究。试验中主要对不同隧道铺底工况进行疲劳试验，以了解不同铺底工况疲劳裂纹的出现时间、扩展情况以及使用寿命等，同时对作用于铺底结构上的压应力及弯应力也进行了测试。试验结果表明，在机车轴重荷载作用下，作用于隧道铺底结构顶面的竖向压应力基本在0．2MPa以内，而铺底底面的弯拉应力一般在0．8MPa以上，铺底结构属于受弯破坏；另外，通过试验得到了20cm厚钢筋混凝土的隧道基底结构更优的结论。在试验成果的基础上，对隧道铺底结构的受力状态及其计算方法进行了探讨。     

西周岭隧道地应力测量及岩爆预测分析

为指导施工,提高施工的安全性和经济性,对西周岭隧道进行了钻孔水压致裂法地应力测量。测试结果表明:西周岭隧道深埋段地应力场以水平应力为主,在测试深度内最大水平主应力值为10.57~19.39MPa,具中等偏高应力水平; 最大水平主应力方向为近N33°W,与隧道走向的夹角较小,即地应力对隧道围岩稳定性较为有利。基于地应力实测结果,本文采用Hoek判据、Turchaninov判据、Russenes判据和工程岩体分级标准等4种判别方法进行岩爆预测,并分析了发生岩爆的临界深度,认为西周岭隧道深埋段有发生轻微-中等岩爆的可能,发生岩爆的临界埋深厚度约为397m。因此,在施工过程中应采取合理的开挖方式及防岩爆安全措施,防止岩爆灾害的发生。     

基于离散-连续耦合方法的隧道压力拱特性研究

隧道压力拱问题一直是隧道工程研究的关键问题,目前常用的连续介质数值模拟方法对于隧道压力拱特性的微观研究有所欠缺,而擅长微观力学研究的离散元数值模拟方法对计算机存储空间和计算时间的要求太高。基于现有离散-连续耦合思路,通过力的传递实现离散-连续模型的耦合;研究了耦合算法中的平均应力计算方法、平均应力计算区域面积及耦合程序遍历颗粒方法;基于自行开发优化的离散-连续耦合程序,模拟了隧道开挖后的围岩受力特性,研究了隧道压力拱形成机理及压力拱特性;计算了埋深分别为10 m,14 m,18 m,22 m,26 m,30 m和34 m情况下的隧道开挖产生的压力拱应力集中等效区域,揭示了隧道压力拱随着隧道埋深的变化规律。研究结果表明,自行开发优化的离散-连续耦合程序能在保证计算精度的前提下,充分发挥离散元方法在微观力学研究方面的优势;隧道开挖后,开挖面周边范围出现层状压力环,但在拱顶和仰拱底附近区域的围岩压力环的环间接触力降低,围岩承载能力急剧降低,形成压力拱;随着隧道埋深的增加,隧道压力拱应力集中等效区域减小,隧道周边围岩的压力拱承载能力越来越大;但当隧道埋深达到一定界限后,隧道压力拱高度趋于稳定。     

高速铁路隧道缓冲结构气动载荷与结构应力特性分析

高速列车通过隧道时,会引起车隧气动效应.在隧道洞口设置缓冲结构是简便有效的应对措施之一.而缓冲结构一般设置在隧道洞口,列车通过隧道产生气动载荷对该结构的影响也不容忽视.本文采用数值方法,利用Ansys软件的workbench模拟平台,对列车通过隧道产生的气动载荷作用在顶部单开口缓冲结构上的压应力变化进行模拟.研究结果表明:气动载荷所引起的结构附加应力作用明显.当行车速度为350 km/h时,附加应力可以达到80 kPa,而缓冲结构开口周围成为气动载荷附加应力集中区.对于双线隧道,近车壁面与远车壁面的附加压应力规律一致,但近车侧应力值要大于远车侧.与压力波在隧道内的传播特性类似,气动载荷所引起的附加压应力具有往复传播特征.另外,对顶部缓冲结构开口附近出现附加应力集中的原因进行了分析,确定缓冲结构形式是引起应力集中的决定因素.以上结论对隧道洞口缓冲结构的设计及安全巡查具有一定的指导意义.     

综合管廊早龄期混凝土温度应力仿真模拟

以汉中市综合管廊为工程背景,通过有限元软件,首先模拟分析综合管廊早龄期温度场,随后将温度场结果附加到管廊结构中求解温度应力,从而分析综合管廊早龄期混凝土温度应力与浇筑长度的关系。模拟分析发现:综合管廊在混凝土浇筑早期,温度场沿长度方向变化不显著,且随着浇筑长度的增加,温度场不变;在墙体温度上升阶段,墙体内部沿长度方向的应力主要为压应力,当墙体混凝土内部温度达到最高,混凝土开始降温,结构内变形由膨胀逐渐变为收缩,内力由压应力逐渐变为拉应力,随着时间的变化,墙体内外温差趋于稳定,墙体温度应力也逐渐平稳,此时温度应力主要受外界环境变化影响;当综合管廊浇筑长度在60m范围内,浇筑长度越大,温度应力越大,但当浇筑长度超过60m,温度应力不再增加。     

深埋偏压小净距隧道施工力学特征数值模拟研究

以瑞赣高速公路峡山隧道区间为工程背景, 针对小净距双洞并行隧道的复杂 受力状态, 采用有限元法对深埋条件下的小净距段偏压隧道采用不同施工方案进行数值模拟. 对双侧壁导坑法、CD法和上下台阶法等不同的施工方法对围岩应力、围岩变形、锚喷支护体 系结构内力、拱顶位移及围岩稳定性进行对比. 分析不同方案下开挖前、后隧道围岩与支护 结构的位移、应力变化规律. 在此基础上对不同方案施工过程对隧道中间夹岩的力学行为进 行分析, 提出了隧道中间夹岩薄弱面的概念, 更加明确了该工程地质条件下隧道夹岩的薄弱 控制面. 并以此为依据指导工程施工, 在实际施工中取得了较好的效果.     

爆破扰动下邻近层状围岩隧道的稳定性与振速阈值

爆炸荷载下邻近既有层状围岩隧道的迎爆侧易发生开裂、破坏,确保既有隧道围岩在爆破扰动下的安全是隧道近接施工中的关键问题。基于弹性力学和结构力学原理,建立了既有层状围岩隧道迎爆侧最危险点的简化力学模型,得到了最危险点的应力计算表达式,分析了隧道半径与岩层厚度的比值、岩层的倾角、岩层所对应的圆心角和隧道埋深等因素对既有隧道围岩稳定性的影响规律,并依据岩体最大拉应力判据确定了既有层状隧道围岩稳定的质点临界振动速度,结合地震波传播时的衰减规律,可以得出爆破施工时的最大单响药量,从而为隧道近接爆破动力扰动施工提供理论依据。     

半无限空间重力隧洞洞室临塑状态分析

利用Mindlin给出的、半无限空间重力隧洞初始应力场下的完整应力解分析了洞室周边的应力分布规律,用数值方法计算出了最大压应力的位置;结合Mohr-Coulomb屈服条件,研究了洞室周边出现塑性点时洞室直径、围岩粘聚力、内摩擦角与相对埋深的关系,以便工程设计应用。