全长锚固锚杆锚固单元力学性能实验研究

锚固单元的传力特性是影响全长锚固锚杆支护能力的重要因素。由于锚固单元界面构成复杂，本文主要考虑锚杆与粘结材料及其界面的力学特性，开展锚固单元界面剪切力学实验研究。实验结果表明，砂浆强度直接影响界面的峰值强度和剪切刚度；采用相同强度砂浆，界面的峰值强度、剪切刚度和残余剪切强度都与法向应力成正比；在相同法向应力作用下，剪切速率增加引起峰值剪切强度增大，但对残余剪切强度影响较小。依据实验剪切应力–位移曲线将锚固单元与岩石间界面的解耦过程分为“峰前–软化–滑移”三阶段，非连续变形分析方法数值模拟结果表明，加载初期的损伤主要受粘结材料抗拉强度的影响，临近峰值阶段与粘结材料张剪混合破裂相关；软化阶段和滑移阶段主要受粘结材料剪切特性和颗粒形状的影响；引入实验所获得的三线滑移模型曲线到全长锚固锚杆模型，模拟拔出数值实验结果表明较快拔出速率将影响锚杆变形能力。     

碎石料直剪实验的组合颗粒单元数值模拟

通过构造三维组合颗粒单元来描述颗粒间的互锁效应,对非规则颗粒材料的力学行为进行了离散元数值模拟,并通过碎石料的直剪实验进行了验证.该组合颗粒的质量与碎石块具有相同的概率分布特性,其几何形态则由不同数目、镶嵌尺寸、组合方位和粒径的球形颗粒进行随机构造.组合颗粒单元在局部与整体坐标之间的转动、力矩和方位关系通过四元素方法进行确定;颗粒之间的作用力采用具有Mohr-Coulomb摩擦定侓的Hertz-Mindlin 非线性接触模型,并考虑了非线性法向粘滞力的影响.在不同的法向应力下,对碎石料在直剪实验中的剪切应力和剪胀现象进行了离散元模拟,计算结果与实测结果相吻合;此外,在不同的法向应力和接触摩擦系数下,对碎石料的有效摩擦系数进行了计算和讨论.本文工作验证了组合颗粒单元在非规则颗粒材料的离散元模拟中的可行性.     

直剪试验过程中剪切面上法向应力变化规律分析

首先推导出不同剪切位移下试样截面惯性矩表达式，然后计算得到试样剪切面上归一化最大、最小法向应力随剪切位移变化的关系曲线，发现两法向应力及其差值随剪切位移的增大而增大，随试样剪切面直径或剪切边长的增大而减小。当试样剪切面直径和边长相同时，圆形试样剪切面上的法向应力要比方形上均匀些。当试样剪切面为矩形，沿矩形长边方向剪切时，其上法向应力的分布要比沿短边方向剪切时均匀些。建议尽量使用剪切面为圆形的大样进行直剪试验。     

在法向应力影响下岩质材料的非线性粘塑性蠕变属性

1 引言文献[2]在S S Vyalov 的研究基础上,进一步改进和完善了Vyalov 的研究假设,分别提出了在纯剪和单轴压缩条件下的岩质材料非线性蠕变模型,但是,未曾进行复杂应力状态下的非线性蠕变性态的研究.因此,本文将在此基础上,对岩质材料非线性剪切蠕变性态进行深入的研究,进一步考虑最大剪应力面上的法向应力对岩质材料非线性粘塑性剪切蠕变的影响,提出了反映法向应力影响的岩质材料非线性粘塑性剪切蠕变的力学模型和蠕变方程,并给出了在一定的法向应力和剪切应力下,岩质材料发生衰减蠕变、线性蠕变和加速蠕变变形所需满足的条件.     

非均匀颗粒材料的类固-液相变行为及本构方程

以非均匀颗粒介质为研究对象，采用三维离散元方法对其在不同密集度和剪切速率下的动 力过程进行了数值模拟，分析了其在由瞬时接触的快速流动向持续接触的准静态流动的转变 过程及其行为特点. 通过对不同材料性质下相变过渡区内颗粒材料的宏观应力、接触时间数、 配位数、团聚颗粒数量、有效摩擦系数等参量的计算，更加全面地描述了非均匀颗粒材料在 类固-液相变过程中的基本特征. 基于以上数值计算结果，建立了一个适用于颗粒材料 类固态、类液态以及其相变过程的本构方程，并通过剪切室实验结果验证了它的合理性.     

体积分数对基于沸石和硅油的悬浮液的电流变性能的影响

用 HAAKE RV2 0型流变仪 ,在不同外加电场强度和不同颗粒体积分数下测试了基于沸石和硅油的电流变液的剪切应力变化 .结果表明 :随着外加电场强度升高 ,电流变液的零电场粘度急剧增加 ,电流变液的剪切屈服应力增加 ;随着电流变液中沸石颗粒体积分数升高 ,电流变液的剪切屈服强度急剧上升 .这种变化可以用颗粒间作用力与颗粒间距的关系、单位面积的颗粒链数目变化以及多体作用对电流变液性能的影响来解释     

胶结砂砾石层面直剪试验及破坏行为细观研究

本文采用宏观试验和细观模拟相结合的方法研究胶结砂砾石层面在剪切过程中的破坏行为．首先进行了不同法向应力作用下的胶结砂砾石层面直剪试验,获得了不同的剪切面破坏特征：随着法向应力的不断增加,剪切破坏面凹凸起伏程度、骨料脱落现象越发明显．其次为了深入探究层面破坏现象,按照室内试验采用的骨料级配粒径建立细观颗粒数值模型,结合物理试验对模型进行参数标定,并进行数值模型的层面直剪模拟和细观分析．结果表明,数值模型可以再现宏观直剪试验层面破坏特征;法向应力越大,层面区域颗粒发生错动和翻转的数量越多;层面破坏方式为颗粒间的张拉和剪切混合破坏,裂隙均集中在层面位置,随着法向应力的增加,裂隙的集中区域逐渐由“面”向“带”转变．     

钛酸钙系电流变液在直流电场下损耗模量的研究

研究了直流电场下钛酸钙系电流变液在动态振荡剪切模式下损耗模量的变化。用流变仪测试了不同颗粒体积分数材料在不同的温度和电场下损耗模量随应变的关系曲线。讨论了颗粒体积分数、温度、电场强度以及频率对材料损耗模量的影响。以理论推导和试验数据拟合的方法给出了损耗模量与颗粒体积分数、振荡频率、温度以及电场强度等参数的半经验数学关系式。理论值对比试验结果表明,本文损耗模量表达式与试验结果符合较好,可以用于预测直流电场下钛酸钙系电流变液在动态振荡剪切模式下颗粒体积分数、温度、电场强度、频率和剪切应变对损耗模量的影响。     

振动效应对铁路道砟剪切性能影响的离散元数值模拟

铁路道砟在传递移动列车载荷时会产生明显振动及接触迁徙行为，从而诱发道床的破碎劣化及非均匀沉降变形，道砟材料的抗剪性能研究对于碎石道床动力学行为及维养评估非常重要。为进一步探究铁路道砟的剪切力学特性，基于Minkowski Sum理论构造了扩展多面体单元，采用三维Voronoi切割算法生成了非规则扩展多面体道砟颗粒。通过最小投影方法对单元进行粒径识别和筛选，建立了符合铁路道砟级配要求的扩展多面体道砟模型数据库。对比了不同法向应力下铁路道砟准静态直剪试验及离散元模拟结果，验证了扩展多面体道砟接触参数的合理性。在此基础上，开展了振动效应下的道砟动态直剪离散元模拟研究，分析了振动角度、幅值及频率对道砟材料抗剪性能的影响。结果表明：构造的扩展多面体道砟离散元模型能够较好地反映非规则道砟间的强咬合互锁接触作用，并有效模拟直剪过程中的剪切应力–应变的变化及剪缩–剪胀行为。正则化下不同法向应力对应的铁道道砟剪切强度更适合采用幂函数拟合表示。振动场的存在会明显降低道砟颗粒的抗剪性能。当振动方向与剪切方向一致时（振动角度为0°），道砟的剪切强度被明显削弱；随着振幅及频率的增大，道砟颗粒的剪切强度也会显著降...     

基于应力波动的修正非局部流变模型

基于Pouliquen 提出的非局部流变模型,考虑颗粒流中某个位置重新排列引起的自激发过程,详细分析颗粒介质中应力波动幅值的概率密度分布形式以及剪切速率与体积分数的耦合作用,提出一种修正的非局部流变模型. 采用此修正非局部流变模型对斜面剪切颗粒流的流动特性进行了预测,颗粒流动的临界厚度、平均流动速度及剪切速率廓线的预测结果与实验结果定量吻合. 此修正模型的提出为复杂的密集颗粒流的描述和表征提供了一种新的研究思路.      

颗粒摩擦对颗粒材料剪切行为影响的试验研究

通过对一种类似于土的颗粒材料--玻璃珠开展一系列室内直剪试验,研究颗粒间摩擦对颗粒材料剪切行为的影响. 试验一共考虑了4种不同的摩擦情况:干燥状态、用水浸润状态、完全淹没在水中和用油浸润状态. 分析试验结果发现,与干燥状态试样相比,用油浸润能明显降低试样的剪胀性和抗剪强度,而用水浸润和淹没在水中的方法没有产生显著的影响. 此外,通过在剪胀关系式中引入可变剪胀系数来考虑颗粒摩擦对颗粒材料剪胀性的影响,并从颗粒滑动与滚动的细观机理上初步解释了颗粒滑动摩擦角对临界状态摩擦角的影响规律.     

Transient and steady state behaviors of rapid granular shear flows

Rapid granular shear flow is a classical example in granular materials which exhibits fluid-like behavior solely or fluid-like and solid-like behaviors simultaneously. We have performed experiments on annular granular shear flows using monodisperse steel spheres with 2-mm and 3-mm diameters. We discuss some transient (static failure of material due to shear) and steady-state (completely sheared and partially sheared flows) features of rapid granular flows. Our results map out the boundary between overall compaction and dilation that characterizes multiphase behavior of the system. Dimensionless stresses rise as more material is loaded into the system. On the other hand, increasing the compressive force or shear rate is equal to easing the process of shearing by decreasing the ratio of shear to normal stress.     

ORIGIN OF HEAT EFFECTS AND SHEAR MODULUS CHANGES OF A Cu-BASED AMORPHOUS ALLOY 1)

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.     

基于指数准则在莫尔空间对岩石剪切强度的研究

岩石是多种矿物颗粒构成的天然材料,内部存在不同尺度的孔隙、裂隙等损伤;岩体工程设计及灾害防治所使用的强度准则仍在研究之中.材料的黏结和摩擦在局部不能同时存在,线性的Coulomb准则仅在小范围内近似描述圆柱试样的常规三轴强度,众多非线性强度准则只是经验公式而缺乏物理背景. 作者提出的指数准则可描述岩石剪切破坏时强度与围压的关系;基于对11组试验数据的拟合结果在莫尔应力空间分析黏结力和摩擦力的变化特征:岩石承载的剪切力存在上限即材料的真实黏结力c₀;在试验范围内莫尔概念的内摩擦力达到约为0.38 c₀的峰值,且黏结力在其附近相交. 材料真实黏结力与正应力无关,因而名义黏结力表征了完好材料剪切破裂的面积;基于裂隙面积计算的等效摩擦因子随正应力降低,意味着裂隙滑移的爬坡角减小,而后者取决于正应力与真实黏结力的比值. 等效摩擦因子与指数准则的材料参数具有确定关系,体现了岩石在压应力作用下剪切破裂的物理背景.      

New constitutive equations for the rapid flow of granular materials—II

This paper compliments a previous paper, (J. Non-Newtonian Fluid Mech.,9(1981) 147), which discussed new constitutive equations for rapid collisionally maintained flow of granular materials as a non-Newtonian microfluid in which the gradient of microrotation played an important role as a kinematic variable. In this article we discuss another variation of such constitutive equations; one for which we do not consider the effects of gradients of the mean microrotation of grains. Derived are expressions for the dispersive normal and shear stresses for a plane shear rapid flow of a granular material in the presence of intergranular slip and friction. These expressions reduce to classical results if friction is set equal to zero. A graph of the variation of stresses versus the friction factor is also presented which reveals a kind of choking phenomenon at larger values of μ_k.     

Elastic properties of polyethylene melts at high shear rates with respect to extrusion

At high shear rates a steady state of shear flow with constant shear rate, constant shear stress, and constant recoverable shear strain is observed in the short-time sandwich rheometer after some few shear units already. The melt exhibits rather high elastic shear deformations and the recovery occurs at much higher speed than it is observed in the newtonian range. The ratio of first normal stress difference and twice the shear stress, being equal to the recoverable strain in the second-order fluid limit, significantly underestimates the true elastic shear strains at high shear rates. The observed shear rate dependence of shear stress and first normal stress difference as well as of the (constrained) elastic shear strain is correctly described on the basis of a discrete relaxation time spectrum. In simple shear a stick-slip transition at the metal walls is found. Necessary for the onset of slip is a critical value of shear stress and a certain amount of elastic shear deformation or orientation of the melt.     

STUDY OF THREE-SHEAR STRESS UNIFIED STRENGTH THEORY

材料强度理论研究是高等材料力学的一个重要研究领域,200多年来,各国学者提出了许多强度理论及试验研究结果.这些理论都是从不同的假设和力学模型出发,推导出不同的数学表达式,但一般只适用于某一类特定的材料.各种强度理论之间是否有联系?是否可能建立一个广泛适用的统一强度理论?自19世纪末以来,世界各国学者都在努力寻求建立统一强度理论,但一直没有成功.本文应用理论研究和试验验证相结合的方法,提出并验证了三剪应力统一强度理论。认为当作用于菱形十二面单元体上的三个主剪应力及其作用面上的三个正应力的函数达到某一极限值时,材料发生破坏.三剪应力统一强度理论是全应力理论,它用一个统一的线性表达式包含或逼近了现有的和其他新的各种单一和统一、线性和非线性、外凸和非凸的强度理论,形成了以单剪强度理论为下限、而以三剪应力强度理论为上限的一系列强度理论的新体系,实现了外凸强度理论和非凸强度理论的高度统一,使强度理论从适用于某一类材料、某种应力状态的单一强度理论发展为可以适用于各种材料及不同应力状态的统一强度理论,并能更大程度地发挥材料的强度潜力.通过与大量试验结果的对比分析表明：三剪应力统一强度理论可以广泛适用于各种材料及其不同的应力状态.     

泡沫流体的剪应力与法向应力差

本文在同时考虑表面张力与粘性力的情况下,以三维模型—长菱形十二面体及泡沫的应力张量表达式为基础,得出了泡沫的剪应力及法向应力差表达式,并通过计算机进行了求解,讨论了泡沫粘度、泡沫大小等因素对剪应力及法向应力差的影响。 实验使用了 RMS-605 大型流交仪、RV-2 流变仪及毛细管流变仪测定泡沫流变特性。消除了表面滑移影响后得到的剪应力与法向应力表数据与理论结果较接近,说明理论模型具有一定的实用价值。     

一种骨小管中液体流动产生的流量及切应力模型

骨组织受力变形后其内部液体就会流动,同时在其微观结构——骨单元壁中扩散,并进一步产生一系列与骨液流动相关的物理效应,如流体剪切应力、流动电位等,这些物理效应被细胞感知并做出破骨或成骨等反应,来使骨适应外部载荷环境.鉴于骨组织产生的内部液体流动很难实验测定,理论模拟是目前的主要研究手段.基于骨单元的多孔弹性性质建立了骨小管内部液体的流动模型,该模型将骨单元所受的外部载荷与骨小管内部液体的压力、流速、流量和切应力联系起来,并进一步可以研究其力传导与力电传导机制.骨小管模型的建立分别基于中空和考虑哈弗液体的骨单元模型,并考虑了骨单元外壁的弹性约束和刚性位移约束两种边界条件.最终得到骨单元在外部轴向载荷作用下,骨小管内部液体的流量及流体切应力的解析解.结果表明:骨小管中的液体流量与流体切应力都正比于应变载荷幅值和频率,并由载荷的应变率决定.因此应变率可以作为控制流量和流体切应力的一种生理载荷因素.流量随着骨小管半径的增大而非线性增大,而流体切应力则随着骨小管半径的增大而线性增大.此外,在相同的载荷下,含哈弗液体的骨单元的模型中,骨小管中液体的流量和切应力均大于中空骨单元模型.