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.      

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。     

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。     

钢筋混凝土界面的近场动力学方法

近场动力学方法已被广泛用于钢筋混凝土的开裂破坏研究,传统近场动力学方法的控制方程与参数是基于同种均质材料的能量方程确定,在处理不同种材料之间的相互作用时,无法合理反映其界面的力学行为.针对这一问题,通过分析钢筋混凝土界面的黏结-滑移机理,提出了近场动力学界面区材料点的相互作用模型,发展了考虑钢筋混凝土界面黏结的键基近场动力学方法.基于键基近场动力学与连续介质力学的能量密度等效方法,提出了界面微弹性参数的确定方法;根据钢筋肋间混凝土的应力分布规律,获得界面材料点域半径与受限楔体半径的等效关系;利用界面黏结-滑移曲线峰值应力对应的滑移变形,给出了界面临界拉伸常数确定方法.通过与2组钢筋混凝土构件的拉拔试验对比,验证了发展的界面近场动力学方法,并开展了不同条件下钢筋混凝土构件的数值试验.结果表明,发展的近场动力方法能够合理反映钢筋直径、锚固长度、混凝土强度以及肋间距对钢筋混凝土界面黏结行为的影响,体现了所提方法的合理性与优越性.     

岩石化学腐蚀-围压细观损伤本构模型与离散元模拟研究

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入细观化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数。同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线。通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况。     

基于隐式扩散的直接力格式浸没边界格子Boltzmann方法

采用浸没边界格子Boltzmann (immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)模型执行动边界绕流数值模拟时,信息交互界面和边界力计算格式直接影响流动求解器的数值精度和计算效率.基于隐式扩散界面,一种改进的直接力格式IB-LB模型被提出.边界力表达式基于欧拉/拉格朗日变量同一性准则推导,转换矩阵描述的信息交互界面耦合了拉格朗日节点间的非同步运动.采用Richardson迭代数值求解关联边界力与无滑移速度约束的线性方程组,不仅克服了传统速度修正格式中矩阵求逆引起的计算效率问题,而且摆脱了算法稳定性对拉格朗日点分布的依赖.根据解析解已知的Taylor-Green涡流评估本文模型的数值模拟精度,结果表明改进的IB模型能够完整保留背景LB模型的二阶数值精度.静止圆柱和振荡圆柱绕流数值实验结果表明,当前模型在涉及复杂外形和运动界面的流动模拟中能够提供可靠的数值预测,满足力同一性的IB-LB模型能够有效抑制非定常流体力的伪物理震荡.波动翼型绕流模拟验证了当前模型的实用性,可在大变形柔性体流固耦合动力学问题中进一步推广.     

基于流变理论的压力型锚杆锚固段荷载传递机理研究

基于荷载传递法,采用西原模型,建立了考虑锚固界面剪切流变特性的压力型锚杆荷载传递函数的微分方程;推导了压力型锚杆锚固体周围岩土体全部处于弹性时、局部处于塑性时和局部处于滑移时,考虑锚固界面流变的锚固界面位移和锚固体轴力分别与位置、时间的关系式;最后,通过拉拔蠕变试验对理论解进行了试验验证。对比分析表明,在P为40kN、100kN、120kN的不同拉拔力作用下,不同位置、不同时刻锚固体轴力的实测值与理论值均吻合较好。反映出推导的理论公式的正确性和适用性。     

MFRP锚杆拉拔水工试验方案有限元分析评估

FRP包裹钢筋(MFRP)锚杆是在FRP锚杆的基础上,增加钢筋层和功能梯度层达到综合FRP锚杆和钢筋锚杆优点的目的.在界面力学模型基础上,建立三维锚杆拉拔试验有限元模型,通过设置接触单元对锚杆在混凝土中拉拔过程进行模拟.首先对钢锚杆进行了拉拔试验的测试,证明本文方法的可行性.然后将方法运用到FRP包裹钢筋(MFRP)锚杆上,通过不同直径和不同锚固长度的锚杆进行测试,得到一些可供参考的结论,评估MFRP拉拔水工试验的可行性.     

界面脱粘对陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响

采用细观力学方法对脆性纤维增强的陶瓷基复合材料拉-拉疲劳载荷下应力-应变迟滞回线进行了研究,将拉梅公式与库仑摩擦法则相结合分析了界面脱粘区以及粘结区复合材料细观应力场.根据卸载与重新加载时纤维相对基体滑移机制,分析了加卸载纤维轴向应力分布,结合断裂力学界面脱粘准则确定了初始加载界面脱粘长度ls、卸载界面反向滑移长度y以及重新加载界面滑移长度z',讨论了界面脱粘能和界面摩擦系数对初始界面脱粘、卸载界面反向滑移、重新加载界面滑移以及加卸载迟滞回线的影响.并与Pryce-Smith模型和试验数据进行对比表明:该文模型与试验曲线吻合的较好.     

充-岩界面耦合体爆破动力响应机理

充填采矿法的充填体与矿岩体构成的界面耦合结构体,受采矿爆破影响会持续受到动力扰动,在充-岩界面耦合处易产生脱粘、裂隙扩展等行为,为井下生产带来安全隐患。采用ANSYS/LS-DYNA建立了充-岩界面耦合体模型,分析了爆破作用对界面耦合体结构的力学影响,获取了不同界面粗糙度、充填体养护龄期和起爆方式等因素对爆破裂隙扩展及应力波峰值应力的影响,探讨了爆破动力作用机理。结果表明:（1）爆破冲击在界面耦合体中存在拉、压和剪3种力学作用,且随着界面粗糙度的提高,界面受力呈先上升后下降趋势;（2）随着充填体养护时间增长,界面破坏逐步从受拉转化成剪切损伤;（3）同时起爆对耦合界面的损伤比逐孔起爆的小。     

颗粒破碎的微观力学模拟

基于颗粒尺度建立了考虑颗粒破碎过程中能量耗散的微观力学模型。为了模拟颗粒体的破碎过程和侧向应力的影响,把胶结在一起的三个等粒径的颗粒体当作颗粒破碎体。基于颗粒破碎准则和热力学原理,考虑了颗粒破碎过程中颗粒接触点之间的塑性滑移和颗粒转动以及侧向应力作用,通过颗粒破碎体内部颗粒之间的接触破碎来模拟颗粒体的破碎。计算结果表明:本文所提出的微观力学模型可以模拟胶结在一起的大颗粒的破碎过程;颗粒之间的微观力学参数对颗粒破碎过程中的力、塑性滑移、颗粒的转动角有不同程度的影响;力-位移关系曲线在破碎前是线性的,而颗粒破碎时竖向力迅速降低到较小值,并伴有颗粒的转动。     

饱和砂土的三剪弹塑性边界面模型研究(一)——模型理论

基于边界面模型方法研究了不同密实度和含泥量的饱和砂土在静、动荷载作用下的力学和变形特性。其中,初始边界面方程是通过改进修正剑桥模型椭圆形屈服方程得到的,后继边界面方程则是在前次边界面方程的基础上采用中心点映射法获得。针对原模型破坏应力比为定值,不能反映全应力状态和黏聚力在土体受力过程中的作用这一问题,基于三剪统一强度准则,通过等量代换法、坐标平移法对破坏应力比、相变应力比进行了修正,使修正后的椭圆形边界面适用于不同密实度和含泥量的饱和砂土。在此基础上应用边界面理论,研究了饱和砂土的三剪弹塑性边界面本构模型及有限元算式。该模型能够描述密实砂土在受力时表现的剪胀特性,同时可以反映中间主应力效应、应力区间效应、拉压差效应和黏聚力对应力-应变特性的影响。     

金川露天矿边坡岩体移动和变形的光弹性软材料模拟实验研究

通过对边坡岩体破坏机理的光弹性力学模拟实验研究, 岩体在地应力作用和自重体积力作用下, 对露天矿边坡的力学状态具有明显地影响。实验采用了明胶软材料, 模型比例1：1100。实验模拟了在自重应力和构造应力作用下, 边坡岩体的位移和变形。     

岩石力学与工程问题的DDA和NMM模拟研究进展

全面回顾了非连续变形分析(DDA)方法与数值流形方法(NMM)在岩石力学与工程问题模拟领域的研究与应用进展。首先论述了相关理论与算法的研究现状,包括DDA中旋转虚假体积膨胀及能量损耗问题的解决,开裂破坏模拟的子块体单元DDA方法和节点DDA方法,以及颗粒DDA方法的发展等;也包括对NMM开裂破坏模拟能力及双重覆盖系统的研究,无网格NMM及粒子NMM的发展等;其中还涉及单纯形积分、高阶方法、材料本构模型、显式与并行计算的研究等;此外还对接触相关问题的研究进行了专门论述。随后,对DDA与NMM在岩体边坡失稳与落石、地下岩体结构的变形与破坏、应力波传播与岩石爆破、岩体结构地震破坏与失稳及岩体锚固工程领域的代表性研究与应用工作进行了详细论述。在此基础上,凝练和论述了DDA和NMM研究与应用面临的主要问题与挑战,包括计算控制参数、计算效率、多物理场、三维方法、程序的商业化开发等,并给出了相应的对策建议。     

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。     

拉扭耦合作用下柱形纤维与基底的界面黏附性能研究

受壁虎刚毛可逆黏附性能的启发,本文建立了单根弹性圆柱纤维与刚性基底黏附接触的理论和数值模型,同时考虑了拉伸和扭转载荷的耦合作用及纤维半径对界面黏附性能的影响.研究发现耦合载荷作用下柱形纤维同样存在一个临界半径,当纤维半径小于该临界尺寸时,界面应力达到均匀的理论强度分布,接触边界应力集中消失,出现缺陷不敏感现象;当纤维半径大于该临界尺寸时,界面以裂纹扩展而失效.在耦合载荷作用下纤维的临界半径小于纯拉伸而大于纯扭转时的临界尺寸,且该临界半径随着施加扭转载荷的增大而减小.表明在纯拉伸载荷下使界面黏附强度达到最优的柱形纤维,在拉伸和扭转载荷耦合作用下,由于界面失效形式的转变使界面易发生脱黏,并且界面脱黏时的拉脱力随着扭转载荷的增大而减小,理论和数值结果一致.本文结果进一步应用揭示了壁虎可以通过调控施加在其最小黏附单元上的载荷形式实现纯拉伸载荷下强黏附及耦合载荷下易脱黏的力学机制.     

非饱和多孔介质中混合元法的化学-热-渗流-力学耦合的本构模拟

在文献[1]中建立的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)本构模型基础上,针对文献[2]建立的非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法,发展了非饱和多孔介质中混合元的化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合本构模拟算法。采用非关联流动多重屈服准则模拟非饱和多孔介质的材料非线性行为。推导了u-pw-pa-T形式的包含了耦合率本构方程积分的向后欧拉映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵(单元刚度矩阵)的混合元一致性算法。本文给出了临界状态线(CSL)和状态边界面(SBS)两个屈服准则的一致性算法。数值结果显示了本文所发展的混合元耦合本构模拟算法在模拟由热、化学、力学荷载共同引起的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合行为的能力和有效性。     

双材料界面断裂力学模型与实验方法

纤维增强聚合物(FRP)质轻、高强, 可提高结构的刚度、强度、抗震性能和耐久性, 近年来在结构加固及工程改造中得到广泛应用. FRP与传统复合材料之间形成双材料黏结界面, 界面断裂特性是决定双材料结构性能的关键因素. 对双材料界面裂纹尖端应力场理论、界面裂纹模型、黏结界面I型、II型及混合型断裂试验及理论研究现状进行综合评述和分析. 界面模型主要有经典梁/板理论和刚性节点模型、考虑剪切变形的双亚层理论和半刚性节点模型、基于双亚层理论的柔性节点模型、考虑剪切变形的多层亚层理论和多亚层柔性节点模型、弹性地基梁模型以及黏聚模型. 还介绍了双材料界面断裂力学在FRP-混凝土研究中的应用.      

纤维增强混凝土材料的界面剪应力分布研究

针对纤维与混凝土界面的破坏过程,提出了几种简化的粘结-滑移本构模型,以双线性局部粘结-滑移本构模型为基础,在受力平衡和变形协调的基本原理基础上,推导了纤维脱粘过程中界面剪应力的解析解.采用弹簧粘结单元,通过数值方法模拟了纤维与混凝土之间的粘结-滑移过程,给出了纤维与混凝土界面脱粘过程中界面剪应力的分布、变化情况.对解析解、有限元计算结果和试验结果之间的差异进行了对比分析,验证了简化模型的合理性和有效性.     

层状粘接复合结构界面力学参数声导波定征方法

在推导层状粘接复合结构良好粘接及存在弱界面、滑移界面和脱层等几种不同界面条件下声导波的广义频散方程的基础上,分析了界面径向与轴向力学参数对声导波传播特性的影响,进一步提出以频散特性为基础的超声导波定征方法和在最小二乘意义下的反向算法对粘接复合结构层间界面力学参数进行了估计,分析了影响估计准确性的各种因素,研究了超声导波定征方法对粘接复合结构层间力学参数的灵敏度及其在误差传递中的意义。