引水洞衬砌裂缝的影响及灌浆处理仿真分析

采用特有的裂缝单元模拟裂缝和特殊的“锚杆穿越裂缝单元”模拟裂缝中的骑缝筋，对某水利枢纽工程引水发电洞衬砌裂的影响及灌浆处理进行了仿真分析，并对灌浆方案进行了优化设计，结果显示裂缝明显影响衬砌和围岩的变形与强度性状，运行在内水压力作用下，裂缝浆张开并进一步扩展，洞顶围岩出现少许拉应力，检修期在不均匀的外水压力作用下，围岩变形显著，致衬砌内产生较大弯矩，灌浆整治后情况明显好转。     

大体积混凝土温度裂缝扩展过程模拟

大体积混凝土的温度裂缝是关系到水电工程中混凝土大坝安全的重要问题,它贯穿混凝土坝的施工期直至运行期。重点探讨了应用无网格法求解大体积混凝土温度裂缝扩展过程的模拟方法。无网格法采用节点来离散求解域,特别适用于裂缝开裂过程的模拟。结合混凝土热传导问题推导了伽辽金无网格方法控制方程和基本算法步骤,编制了混凝土温度场计算和温度裂缝扩展过程模拟的无网格法程序,通过具体的算例验证了所编制的伽辽金无网格程序的正确性。数值算例的计算结果表明,无网格法能够有效地模拟混凝土块在温度应力作用下的开裂发展过程,计算结果符合大体积混凝土块在均匀温降和基础强约束条件下的裂缝分布规律。     

混凝土裂缝的预防及处理

对混凝土工程中常见裂缝的产生原因进行了分析,提出了在施工中应采用的预防措施.并根据裂缝的性质和具体情况,对表面修补法,灌浆、嵌逢封堵法,结构加固法,混凝土置换法,电化学防护法以及仿生自愈合法等六类处理办法分别作了详细的阐述.     

超声波检测混凝土裂缝及裂缝成因分析

利用超声波单面平测法检测混凝土结构裂缝的深度，由裂缝深度检测结果评价混凝土缝的影响范围，分析了产生混凝土裂缝成因的机制，为改进施工质量提供理论依据。     

尾水隧洞衬砌混凝土裂缝预防及治理

水工隧道混凝土衬砌均存在不同程度的裂缝,本文介绍了尾水隧洞衬砌混凝土裂缝预防和不同类型裂缝的处理办法。     

考虑非线性徐变的混凝土温度裂缝扩展过程模拟

混凝土温度应力超过相应龄期的抗拉强度一半时,混凝土的徐变变形不再与应力呈线性关系。采用一个混凝土非线性徐变模型来进行混凝土的温度应力计算,并给出了相应的算法。同时,吸取无网格方法在裂缝扩展模拟方面的优势,采用无网格方法对混凝土的温度裂缝过程进行了仿真计算。数值算例计算结果表明,所编制的无网格法程序具有较好的收敛性和可靠性,能够有效地模拟混凝土块在温度应力作用下的开裂发展过程,考虑混凝土非线性徐变效应后,在开裂时刻混凝土急剧增加的非线性徐变变形缓和了缝端的温度拉应力,使得相同龄期混凝土的裂缝深度和扩展速率要比只考虑混凝土线性徐变要小一些。     

浅谈混凝土楼板裂缝的预防与处理

分析现浇混凝土楼板产生裂缝的原因,提出预防措施和处理方法.     

基于零厚度内聚力单元的水力裂缝随机扩展方法研究

为有效模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展过程,基于单元节点的拓扑数据结构,利用网格节点分裂方式,建立了一种基于有限元网格嵌入零厚度内聚力单元的水力裂缝随机扩展新方法。利用KGD模型解析解和2种室内试验,验证了新方法的准确性和有效性。同时,通过数值算例研究了水平地应力差和储层非均质性对水力裂缝随机扩展过程的影响。研究表明:(1)该方法弥补了ABAQUS平台内置的内聚力单元无法有效模拟水力裂缝随机扩展的不足;(2)在较高水平地应力差下页岩储层非均质性越强,与水力裂缝相交的高角度天然裂缝越容易开启。所建方法能准确地描述复杂水力裂缝的随机扩展行为,可为裂缝性页岩储层的数值模拟提供新手段。     

鄂尔多斯盆地华庆地区天然裂缝与岩石力学层演化:基于数值模拟的定量分析

岩石力学层控制天然裂缝发育程度与成因机制,同样地,裂缝发育也会影响岩石力学参数的大小与各向异性.受成岩与构造作用的双重影响,岩石力学层会发生迁移,因此,控制裂缝发育的岩石力学层及适用于预测天然裂缝分布的岩石力学层可能不再存在.本文提出了一种采用储层地质力学方法分析构造因素控制下的岩石力学层迁移规律模拟方法 .通过野外观测建立三维裂缝离散网络模型,采用岩石力学实验测量岩石与裂缝面的力学参数,编制三循环法模拟程序研究不同尺寸、不同方位的裂缝性岩体等效力学参数,提出了裂缝性储层地质力学建模最优网格单元大小确定方法,并建立了裂缝参数与岩体力学参数间的数学模型.最后,通过不同时期古应力场数值模拟,预测裂缝的密度、产状,实现了构造因素控制下岩石力学层迁移规律数值模拟.结合鄂尔多斯盆地西缘裂缝组合样式及后期应力场模拟的精度要求,确定地质力学建模最优网格单元大小为28 m;在地质力学建模中,过小的网格单元尺度不能完整刻画单元内的裂缝发育模式.从燕山期至喜马拉雅期到现今,伴随着天然裂缝的发育,岩体杨氏模量总体呈下降趋势,泊松比增大,并且岩石杨氏模量与泊松比间的空间差异性逐渐减小.     

浅谈水利工程泵送混凝土裂缝的防治

近年来,随着水利工程建设的迅速发展,泵送混凝土在各种水利建筑工程施工中得到广泛应用,不但提高了工效,大大降低了施工成本,同时也保证了工程施工质量;但同时,在泵送混凝土施工过程中有许多技术问题需要加以注意。对泵送混凝土施工中常出现的干缩裂缝、塑性收缩裂缝、水化热引起的裂缝等不同类型裂缝的通病及其防治措施作了较为详细的阐述。     

模拟岩石中裂纹扩展连接的近场动力学方法

脆性岩石材料在压应力作用下常出现两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生剪切裂纹。近场动力学是一种新型的无网格数值计算方法。在近场动力学理论中,采用积分形式的控制方程代替微分形式的控制方程使得该数值算法在断裂问题上具有独特的优势。将Mohr-Coulomb准则和最大主应力准则引入非普通“态”基近场动力学理论中,分别用于模拟材料常见的压剪和张拉破坏。这种扩展的非普通“态”基近场动力学可以有效地模拟脆性岩石材料在多种受力状态下的裂纹起裂、扩展和连接问题。通过5个不同的数值算例说明该数值算法在处理脆性岩石材料断裂问题的有效性和准确性。首先,通过模拟含圆孔的弹性板拉伸数值试验说明该数值算法的有效性和准确性。其次,数值模拟了简单三点弯曲试验以及不使用其他外部准则条件下动荷载作用下裂纹的分叉试验,所得结果与其他试验结果或数值结果相吻合,从而验证了该理论的有效性。然后,模拟了包含斜裂纹的巴西圆盘试验,裂纹扩展路径和计算所得的断裂韧度同样吻合于试验结果。最后,模拟了单轴压缩状态下,预制裂纹试样的裂纹扩展和连接问题。将该数值算法与试验结果对比表明,所提出的数值方法可以模拟和预测岩石类材料的张拉和压剪裂纹的起裂、扩展和连接行为。     

水工隧洞围岩裂纹扩展的临界水压解析解

通过把断裂力学扩展判据引入水工隧洞解析解中,使宏观的水工隧洞受力分析与细观的围岩裂纹扩展研究相结合;将隧洞围岩裂纹分为拉剪型裂纹和压剪型裂纹,并针对不同类型裂纹的开展机制,分别推导了水工隧洞围岩拉剪型和压剪型裂纹扩展时的临界内水压力表达式。在此基础上,分析了裂纹的走向、长度、埋深等参数对临界水压的影响规律。算例显示,在高内水压力作用下,或者由于地应力释放的影响,裂纹既可能发生拉剪型扩展,也可能发生压剪型扩展,但后者发生的几率更大。在内水压力控制工况下,当裂纹走向垂直于洞壁法线方向时最不容易发生扩展;裂纹长度越长,埋深越浅,围岩孔隙水的作用面积越大,裂纹发生扩展的可能性越大。     

基于3D-ILC含内裂纹孔口脆性固体断裂特性试验

孔口问题为力学领域中经典问题之一,也是岩土如隧洞、巷道等工程领域重要的问题之一。随断裂力学的发展,对含裂纹孔口问题的研究也不断深入。但是,以往研究多集中在二维问题或者含表面裂纹的孔口问题,含纯内裂纹的孔口问题研究报道较少。基于3D-ILC技术（对表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的深埋内裂纹）,在含有孔口的脆性材料中生成内裂纹,开展单轴压缩试验,与无裂纹完整孔口试样试验结果及已有文献进行对比,并开展理论与数值模拟研究。结果表明：（1）3D-ILC与传统方法相比,裂纹特征更为真实,为解决断裂力学中的三维内裂纹问题奠定了基础;（2）完整孔口试样裂纹形态主要有主裂纹与八字形裂纹;（3）含内裂纹试样裂纹形态以内裂纹扩展为主,主要有翼裂纹、次生裂纹、反翼裂纹、反向次生裂纹、竖向扭曲裂纹与主裂纹6种;（4）含裂纹孔口试样最终的破坏荷载比无裂纹孔口试样平均低76.49%,起裂应力较无裂纹孔口试样平均低96.72%;（5）通过数值模拟对完整孔口试样、含主裂纹孔口试样、含内裂纹孔口试样的裂纹扩展进行定性分析,与试验结论一致。该研究结果为含三维内裂纹的孔口脆性材料的断裂理论研究提供了物理试验基础。     

含裂隙煤层底板突水规律的数值模拟与工程应用

本文结合淮北杨庄矿某工作面实际工程情况, 利用NCAP-2D-W对煤层底板突水进行多方案的数值模拟试验研究。主要内容包括:(1) 考虑在承压水不变的条件下,设计不同裂隙分布状态,探讨单裂隙、多裂隙、不同长度裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙顶部破坏的影响;(2) 考虑承压水的变化,分别考虑单裂隙和多裂隙两种分布状态,探讨裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙底部破坏的影响。通过分析受采动荷载、岩层结构变化、煤层底板中裂隙分布状态及承压水变化等因素影响的数值试验,获得了随开采工作面不断推进煤层底板破坏区的发展、突水导升高度的递增、突水通道的形成等相关规律。     

红层泥质胶结物干缩裂缝深度与间距预测模型

红层泥质胶结物在干燥条件下会因含水率变化产生开裂,裂缝进一步发展贯通最终导致红层泥岩崩解破坏。目前对红层泥岩崩解机制的研究多为定性描述,缺乏定量分析方法。因此,定量研究红层泥质胶结物开裂的产生及扩展对深化红层泥岩崩解理论研究具有重要意义。基于线弹性断裂力学及非饱和土力学,建立了考虑含水率变化的红层泥质胶结物裂缝深度及间距计算公式,并对公式参数敏感性进行了分析。应用CT试验数据对PFC2D数值模型进行了校准,并基于干缩开裂数值试验结果,对裂缝深度及间距计算公式进行了对比验证。结果表明：提出的计算公式能较好地预测红层泥质胶结物的开裂深度及间距,裂缝深度随含水率减小呈先快速增加再缓慢增长的特点。研究成果有助于加深对红层泥岩崩解的量化理论分析,并为预测工程中红层泥岩的开裂程度提供参考。     

模拟岩石压剪状态下主次裂纹萌生开裂的扩展有限元法

压剪应力状态下,岩石类材料中常见两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生压剪裂纹。基于扩展有限元方法（XFEM）,提出了模拟压剪裂纹面作用机制的扩展有限元位移增强方案,并给出了扩展有限元法分叉裂纹处理方法,分别用最大周向拉应力准则和Mohr-Coulomb准则判断张拉裂纹和压剪裂纹的萌生和扩展。基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem 2D,通过两个算例对所提方案进行了验证,所得结果与有限元法（FEM）计算结果吻合很好。模拟了单轴压缩载荷下含预制闭合裂纹试件的裂纹分叉、扩展过程,与试验结果的对比表明,所提方案可以模拟和预测岩石类材料张拉、压剪交互分叉裂纹的萌生和扩展行为。     

基于局部单元劈裂的FEM/DEM自适应分析方法

为了模拟岩体中裂纹的萌生、扩展,Munjiza提出了有限元法/离散元法(FEM/DEM)耦合分析方法。因为裂纹是沿单元边界进行扩展的,亦即裂纹扩展具有网格依赖性,为获得较好的裂纹扩展形态,需要划分密集的初始网格。为解决上述难题,基于FEM/DEM耦合分析方法,提出了基于局部单元动态劈裂的FEM/DEM自适应分析方法,以克服裂纹扩展形态对网格的依赖性。该方法在最初建模时无需划分很密的初始网格,随着荷载的施加,对裂纹尖端附近的局部单元进行动态劈裂,为裂纹的后续扩展提供了更多可能的扩展方向,使得裂纹扩展不必沿着初始网格的单元边界扩展,即可以沿着单元内部进行扩展,裂纹扩展形态更为平滑,与实际情况更为接近。同时相对原FEM/DEM耦合分析方法一开始就划分很密的网格而言,新方法可以划分较为稀疏的初始网格,计算成本降低。最后,通过巴西劈裂算例与原FEM/DEM耦合分析方法对比,分析表明,新方法在一定程度上克服了裂纹扩展形态对初始网格的依赖性。     

基于3D-ILC含偏心内裂纹半圆弯拉断裂特性研究

断裂力学是各行业的基础学科之一。半圆弯拉(SCB)试验为该领域经典试验,目前含裂纹的SCB研究多为底部切口等表面裂纹或穿透型裂纹研究。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,但是对于SCB内裂纹扩展规律研究较少。基于3D-ILC（三维激光疲劳内裂纹）技术,分析了表面无任何影响的情况下凭空生成任意参数的纯内裂纹,在SCB试样中生成内裂纹,对含内裂纹试样进行SCB试验,分析了裂纹生长过程、应力双折射规律、I-II-III型裂纹扩展面、破坏形态、宏微观断口特征,开展数值模拟,得到裂纹尖端应力强度因子分布规律及扩展路径,与物理试验一致。结果表明：（1）基于3D-ILC的SCB内裂纹及I-II-III型扩展断裂规律明显,3D-ILC为断裂力学中的内裂纹问题研究提供了有力工具;（2）应力云纹在内裂纹处显示应力集中,SCB整体云纹在内裂纹处发生明显变异;（3）SCB试样从预制裂纹处发生压剪型起裂,发生I-II-III型裂纹扩展,分为光滑区和撕裂区,持续生长转变为动态断裂进而破坏,动态断口存在裂纹分叉出现雾化区、羽毛区特征;（4）根据M积分和最大周向应力准则,对试样进行了数值模拟,得到了试样内裂纹尖端应力强度因子分布规律及扩展路径,与试验结果一致。结论与成果对断裂力学领域的SCB试验、内裂纹、I-II-III型断裂问题、裂纹扩展路径模拟问题的研究,具有重要意义。     

Morphological aspects of crack growth in rock materials with various flaws

Crack evolution is initiated by the occurrence of tensile wing cracks and is then further promoted due to the crack coalescence caused by the extension of a central tensile crack segment between two relatively adjacent flaws. To understand such progressive failures in rock, a parallelized peridynamics coupled with a finite element method is utilized. Through this method, the initiation position of tensile wing cracks is observed with respect to varying inclination angles of a flaw, and then its corresponding shifting mechanism is investigated. In addition, the phenomenon of the position shifting being sensitive to various flaw shapes is discussed. Moreover, it is observed that the inclination angle of a central flaw affects the initiation position of other flaws; therefore, the initiation positions of tensile wing crack emanating from other neighboring flaws are analyzed with their angles. Following tensile wing cracks, a central tensile crack segment occurs in the bridging region between a central flaw and other neighboring flaws; the developmental patterns caused by the crack segment are discussed as well. Finally, the role a central tensile crack segment plays in the formation of crack coalescence and specimen failure is investigated in detail. The numerical results in this paper demonstrate good fidelity with established physical test results and complement them, thereby expanding the understanding of fracturing morphology in rock specimens with various flaws.     

Influence of inclination angles and confining pressures on mechanical behavior of rock materials containing a preexisting crack

To deeply understand the cracking mechanical behavior of brittle rock materials, numerical simulations of a rock specimen containing a single preexisting crack were carried out by the expanded distinct element method (EDEM). Based on the analysis of crack tips and a comparison between stress- and strain-based methods, the strain strength criterion was adopted in the numerical models to simulate the crack initiation and propagation processes under uniaxial and biaxial compression. The simulation results indicated that the crack inclination angle and confining pressure had a great influence on the tensile and shear properties, peak strength, and failure behaviors, which also showed a good agreement with the experimental results. If the specimen was under uniaxial compression, it was found that the initiation stress and peak strength first decreased and then increased with an increasing inclination angle α. Regardless of the size of α, tensile cracks initiated prior to shear cracks. If α was small (such as α ≤ 30°), the tensile cracks dominated the specimen failure, the wing cracks propagated towards the direction of uniaxial compression, and the propagation of shear cracks was inhibited by the high concentration of tensile stress. In contrast, if α was large (such as α ≥ 45°), mixed cracks dominated the specimen failure, and the external loading favored the further propagation of shear cracks. Analyzing the numerical results of the specimen with a 45° inclination angle under biaxial compression, it was revealed that lateral confinement had a significant influence on the initiation sequence and the mechanical properties of new cracks.