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考虑间断速度场的光滑有限元极限分析上限法

岩土力学 2024年

作者：戴北冰袁新周锡文刘锋涛中山大学土木工程学院香港理工大学土木与环境工程系桂林理工大学土木与建筑工程学院

基于应变光滑技术的有限元极限分析方法，为岩土工程稳定性分析提供了一种有效和高精度的数值分析途径。通过改进基于节点光滑域的方法，使其可以考虑间断的运动许可速度场，提出一种新型节点光滑有限元极限分析上限法。在土与结构接触... 详细信息

基于应变光滑技术的有限元极限分析方法，为岩土工程稳定性分析提供了一种有效和高精度的数值分析途径。通过改进基于节点光滑域的方法，使其可以考虑间断的运动许可速度场，提出一种新型节点光滑有限元极限分析上限法。在土与结构接触面处引入间断速度场，以间断面处节点速度差表征间断速度场的大小，进而基于间断节点重新构造节点光滑域。在Mohr-Coulomb屈服准则和关联流动法则的基础上，分别计算间断面和光滑域内的内能耗散，并将屈服准则和流动法则的约束条件转化为一系列的二阶锥约束方程，最终将考虑间断速度场的节点光滑有限元上限法转化为标准的二阶锥规划模型。此模型可以采用高效的原对偶内点算法进行求解。通过岩土工程中经典问题的数值分析，验证了新方法的可靠性，并通过数值分析发现，结构与土体接触的强度性质对结构的失稳模式和极限承载力具有明显的影响。

关键词：极限分析上限法节点光滑有限元间断速度场二阶锥规划(SOCP)

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高水压高应力岩石声波时域传播特性试验研究

煤炭学报 2024年第7期49卷 3074-3089页

作者：金解放赵康艳黄方博王宇方立兴江西理工大学土木与测绘工程学院江西赣州341000 江西理工大学资源与环境工程学院江西赣州341000

地下工程岩体普遍处于水压力和地应力环境中,水压力和地应力共同控制着岩石的物理力学特性,研究高水压和高应力对岩石声波传播的影响特性,有利于揭示深部岩体工程开挖时围岩损伤演化、动态力学响应以及水压力和地应力的反演。基于自主... 详细信息

地下工程岩体普遍处于水压力和地应力环境中,水压力和地应力共同控制着岩石的物理力学特性,研究高水压和高应力对岩石声波传播的影响特性,有利于揭示深部岩体工程开挖时围岩损伤演化、动态力学响应以及水压力和地应力的反演。基于自主研发的高水压高应力岩石声波测试系统,设置多组水压力和轴向静应力等级用于模拟地下水压力和地应力环境,对红砂岩和石灰岩进行声波传播试验。选取岩石声波首波波形,研究岩石声波波速、首波幅值和能量随水压力和轴向静应力的变化关系,构建岩石声学参数的演化经验模型。研究结果表明,当承受的轴向静应力确定时,红砂岩声波波速随水压力的增大呈先上升后下降的变化趋势,2者呈良好高斯函数关系,石灰岩声波波速随水压力的增加先快速升高后缓慢降低。当承受的水压力确定时,2种岩石声波波速随轴向静应力的增大均呈先增加后减小的变化趋势,红砂岩声波波速与轴向静应力呈高斯函数关系,且红砂岩声波波速变化显著,石灰岩变化较小。确定轴向静应力工况下,红砂岩首波幅值和能量随水压力的增加先平缓发展后快速降低,首波幅值与水压力呈指数函数的变化关系;石灰岩首波幅值和能量随水压力的增加先快速增加后平稳发展或略有降低。确定水压力工况下,红砂岩首波幅值和能量随轴向静应力的增加先升高后下降;石灰岩首波幅值和能量随轴向静应力的增大先快速上升后急剧减小。研究成果对深部高水压环境下岩体工程开挖围岩赋存状态表征、应力波传播以及邻近结构的稳定性分析提供理论基础。

关键词：深部高水压岩石声波传播声波波速首波幅值首波能量

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高水压高应力岩石声波传播频域特性试验研究

岩石力学与工程学报 2024年第6期43卷 1316-1334页

作者：金解放黄方博赵康艳王宇方立兴江西理工大学土木与测绘工程学院江西赣州341000 江西理工大学资源与环境工程学院江西赣州341000

深部岩体工程处于高水压高地应力环境中,其损伤演化特性受赋存环境的影响;声波广泛用于表征岩石(体)损伤累积演化程度。为研究高水压高地应力下岩石的声波传播规律和衰减机制,基于自主研发的高水压高应力岩石声波测试系统,设置6个水压力... 详细信息

深部岩体工程处于高水压高地应力环境中,其损伤演化特性受赋存环境的影响;声波广泛用于表征岩石(体)损伤累积演化程度。为研究高水压高地应力下岩石的声波传播规律和衰减机制,基于自主研发的高水压高应力岩石声波测试系统,设置6个水压力和5个轴向静应力等级,分别模拟不同的地下水压力和地应力环境,对孔隙率差别较大的红砂岩和石灰岩开展声波传播试验。确定声波首波选取方法,将首波进行傅立叶变换,分析频谱曲线的变化特性;定义频域传输系数,分析频域传输系数、质心频率和品质因子的变化规律,探索波阻抗与品质因子的关系,构建岩石频域衰减的经验模型。研究结果表明,随水压力增大,红砂岩的声波频谱面积和频域传输系数先增加后减小,频域传输系数与水压力呈高斯函数关系;而石灰岩的2个参数先整体增大后缓慢变化。随轴向静应力增大,2种岩石的频域传输系数均先增加后减小。随水压力增大,红砂岩的质心频率呈线性下降,出现“频率漂移”现象,而石灰岩的先上升后缓慢发展;随轴向静应力增大,不同岩石声波质心频率先上升后下降。2种岩石品质因子随水压力先快速增加后减小,但减小程度具有差别,红砂岩品质因子减小显著,石灰岩减小较小。2种岩石处于压密阶段时品质因子增大,达到损伤阶段时品质因子减小。研究成果为探索深部高水压环境下岩石损伤演化声学研究方法奠定了理论基础。

关键词：岩石力学深部高水压岩石声波传播频域传输系数质心频率品质因子

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考虑干湿循环路径的粉砂质泥岩力学特性及本构模型

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浙江大学学报（工学版） 2024年第9期58卷 1912-1922,1980页

作者：成辉付宏渊曾铃于晓伟罗锦涛刘杰长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114 长沙理工大学水利与环境工程学院湖南长沙410114

为了分析南方湿热地区粉砂质泥岩边坡浅层失稳机制,开展不同干湿循环路径下的粉砂质泥岩低围压三轴压缩试验与扫描电镜(SEM)试验.基于连续损伤理论和修正Drucker-Prager(D-P)强度准则,构建可考虑干湿循环路径影响的粉砂质泥岩损伤本构模... 详细信息

为了分析南方湿热地区粉砂质泥岩边坡浅层失稳机制,开展不同干湿循环路径下的粉砂质泥岩低围压三轴压缩试验与扫描电镜(SEM)试验.基于连续损伤理论和修正Drucker-Prager(D-P)强度准则,构建可考虑干湿循环路径影响的粉砂质泥岩损伤本构模型.结果表明:粉砂质泥岩应力-应变曲线具有非线性特征,可分为压密阶段、弹性阶段、塑性屈服阶段、峰后破坏阶段和残余强度阶段;随干湿循环次数或循环幅度的增加,压密阶段与塑性屈服阶段延长,岩样峰值强度、变形模量、黏聚力和内摩擦角损伤逐渐增大,粉砂质泥岩力学参数敏感度表现为变形模量>黏聚力>内摩擦角>峰值强度;受溶蚀、潜蚀作用,粉砂质泥岩孔隙率不断增大,破坏模式由以剪切破坏形式为主的顶锥-劈裂破坏向剪切破坏演化.构建的岩石损伤本构模型能考虑干湿循环路径的影响,能较好地反映粉砂质泥岩应力-应变曲线全过程变形特征.

关键词：粉砂质泥岩干湿循环路径力学特性微观结构损伤本构模型

脆性材料统一断裂相场方法及其裂缝宽度的确定

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工程力学 2024年第6期41卷 1-8页

作者：王飞阳上海理工大学理学院深海高端装备系统研究院上海200093 上海理工大学环境与建筑学院土木工程系上海200093

岩石、混凝土等脆性材料的开裂问题一直是国内外关注的热点和难点,裂缝的演化使得脆性材料的力学性能难以预测。针对脆性材料的拉、剪和拉剪复合开裂问题,将统一拉伸断裂准则引入到相场理论,进而基于谱分解技术提出了统一断裂相场方法,... 详细信息

岩石、混凝土等脆性材料的开裂问题一直是国内外关注的热点和难点,裂缝的演化使得脆性材料的力学性能难以预测。针对脆性材料的拉、剪和拉剪复合开裂问题,将统一拉伸断裂准则引入到相场理论,进而基于谱分解技术提出了统一断裂相场方法,并通过交错算法在商业有限元软件中实现了该方法。拉伸断裂试验和拉剪复合断裂试验数值模拟结果表明:统一断裂相场方法具有热力学一致性,该方法不仅能准确模拟裂缝演化过程中脆性材料的力学性能,还能精准预测拉剪复合裂缝的扩展路径。此外,运用水平集理论构建了一个相场函数,识别了相场裂缝的分界面,进而通过理论推导得出了相场裂缝宽度的计算公式,并对其进行了验证。该研究旨在提出精准预测脆性材料拉、剪和拉剪复合开裂的相场方法,以保障土木工程结构的安全。

关键词：断裂相场方法拉剪复合裂缝热力学一致性交错算法裂缝宽度

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基于模拟月壤的贯入模块化试验

地球科学 2024年第3期49卷 1052-1065页

作者：胡定坤李谦吕嘉航邹欣悦罗浩天成都理工大学环境与土木工程学院四川成都610059

为了解采样机具与模拟月壤间的相互作用,同时验证月壤采样机具模块化建模的可行性.基于中国地质大学(武汉)研制的CUG-1A型模拟月壤,开展不同条件下机具贯入力载的试验研究,并依据试验结果建立理论模型进行验证.各机具在浅层模拟月壤贯... 详细信息

为了解采样机具与模拟月壤间的相互作用,同时验证月壤采样机具模块化建模的可行性.基于中国地质大学(武汉)研制的CUG-1A型模拟月壤,开展不同条件下机具贯入力载的试验研究,并依据试验结果建立理论模型进行验证.各机具在浅层模拟月壤贯入阻力平均增长率为19.9%,次浅层提升至38.18%,深层出现陡增达到63.43%;贯入速度对贯入阻力的平均误差为2.5%;不同入土角度下贯入阻力的平均增长率为62.85%;不同截面机具贯入阻力随截面面积增长而增长,值近似为1∶2∶3∶4.同时进行了机具结构模块化验证,理论模型与试验结果吻合度在85%以上.采样机具所受贯入阻力与贯入深度、方式和机具结构明显相关,可建立模块化理论模型准确预估不同条件机具的贯入阻力.

关键词：表层贯入模块化贯入阻力机土作用模拟月壤土力学工程地质

击实和三轴压缩条件下炭质泥岩的颗粒破碎及力学响应研究

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第3期55卷 1120-1131页

作者：刘琼曾铃查焕奕陈佳艳卞汉兵长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114 长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410114 法国里尔大学土木工程与岩土环境工程实验室法国里尔59000

为充分认识炭质泥岩的颗粒破碎行为及力学特性,对不同粗粒质量分数的炭质泥岩在最佳击实状态下的破碎程度进行三轴剪切试验,分析粗粒质量分数对炭质泥岩粒径级配及力学性能的影响规律,明确炭质泥岩颗粒破碎与围压、粗粒质量分数间的关... 详细信息

为充分认识炭质泥岩的颗粒破碎行为及力学特性,对不同粗粒质量分数的炭质泥岩在最佳击实状态下的破碎程度进行三轴剪切试验,分析粗粒质量分数对炭质泥岩粒径级配及力学性能的影响规律,明确炭质泥岩颗粒破碎与围压、粗粒质量分数间的关系。研究结果表明:在压实过程中,炭质泥岩存在明显的颗粒破碎现象,且粗粒质量分数越高,其颗粒破碎越明显;炭质泥岩的水敏性远大于硬质岩的土石混合体的水敏性,击实曲线更陡峭,且在粗粒质量分数为60%时具有最佳的击实状态;随着粗粒质量分数增大,炭质泥岩的抗剪强度呈现出先增长后减小的趋势,且在粗粒质量分数为60%时黏聚力达到最大,内摩擦角与粗粒质量分数呈负相关;当粗粒质量分数较小时,炭质泥岩抗剪强度主要由细粒间的黏聚力及粗粒与细粒间的咬合力提供,粗粒破碎较少;随着粗粒质量分数增大,试样中颗粒破碎现象更明显,颗粒间重新分布和咬合使其内摩擦力逐渐增大,抗剪强度由粗粒破碎及粗粒与细粒间的咬合力提供,细粒间的黏聚力较小;炭质泥岩的颗粒相对破碎率随围压、粗粒质量分数的增大而增大,且相对破碎率与粗粒质量分数和围压之间存在非线性关系。

关键词：路堤工程炭质泥岩颗粒破碎力学特性相对破碎率

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高温作用下锈蚀钢筋与混凝土黏结性能研究

建筑结构学报 2024年第5期45卷 218-229页

作者：刘才玮闫良泰仇子文苗吉军郑春英张成龙青岛理工大学土木工程学院山东青岛266520 青岛理工大学环境与市政工程学院山东青岛266520

为研究高温下与高温后锈蚀钢筋与混凝土黏结性能退化规律,制作84个混凝土立方体试块及110个偏心拉拔试件,对立方体试块进行高温下及高温后抗压试验,对偏心拉拔试件进行高温下及高温后拉拔试验,分析温度状态(高温下和高温后)、锈蚀率(2%... 详细信息

为研究高温下与高温后锈蚀钢筋与混凝土黏结性能退化规律,制作84个混凝土立方体试块及110个偏心拉拔试件,对立方体试块进行高温下及高温后抗压试验,对偏心拉拔试件进行高温下及高温后拉拔试验,分析温度状态(高温下和高温后)、锈蚀率(2%、5%和10%)、试件尺寸(立方体、棱柱体)及箍筋数量(单肢箍和双肢箍)对黏结性能的影响,依据高温对材料性能的折减规律,得出高温下锈蚀钢筋混凝土黏结强度计算方法,提出分段式及连续型黏结滑移本构模型。研究表明:锈蚀时间为59 d且历经400℃的混凝土抗压强度降低了27.6%,温度100℃时锈蚀率为4.6%的钢筋混凝土黏结强度较常温的增大8%,温度200~400℃时黏结强度降低约9%,800℃时黏结强度损失85%;温度低于400℃时,高温下钢筋混凝土黏结强度小于高温后的,温度高于400℃时,不同温度状态下黏结强度值相近;单肢箍筋试件黏结强度较双肢箍筋试件黏结强度下降了10%,立方体(150 mm×150 mm×150 mm)试件黏结耗能是棱柱体(150 mm×150 mm×300 mm)试件黏结耗能的54%。通过比较积分绝对误差验证了模型精度,计算误差小于10%,可用于锈蚀结构火灾下的数值计算。

关键词：钢筋混凝土高温锈蚀钢筋自然冷却拉拔试验黏结性能本构模型

深部开采地表移动延续时间预测模型及其参数分析

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岩土力学 2024年第2期45卷 577-587页

作者：张亮亮程桦姚直书王晓健安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 安徽大学资源与环境工程学院安徽合肥230022

基于改进Knothe时间模型,根据地表移动延续时间定义,建立能够综合考虑采高、平均采深、松散层厚度、基岩层厚度和开采速度等因素的深部开采地表移动延续时间理论预测模型,并根据概率积分法给出了模型参数确定方法。采用24个深部工作面... 详细信息

基于改进Knothe时间模型,根据地表移动延续时间定义,建立能够综合考虑采高、平均采深、松散层厚度、基岩层厚度和开采速度等因素的深部开采地表移动延续时间理论预测模型,并根据概率积分法给出了模型参数确定方法。采用24个深部工作面开采地表移动延续时间监测数据对预测模型的合理性和精确性进行验证。结果表明:地表移动延续时间模型预测结果与24个工作面监测结果基本吻合,两者平均绝对误差仅38 d,均方根误差仅为47 d,平均绝对误差百分比仅为9%,远小于现有3种经验模型的预测误差,验证了地表移动延续时间预测模型的精确性;地表移动延续时间受采高、平均采深、松散层厚度、基岩层厚度和开采速度的影响,随采高的增加而非线性增加,随平均采深、松散层厚度、基岩层厚度的增加而线性增加,但随开采速度的增加而非线性减小。该研究可为深部开采地表移动变形稳定性评估和科学制定开采计划提供理论指导。

关键词：地表移动延续时间改进Knothe时间模型预测动态沉降开采速度