含反射裂纹沥青路面的动力响应分析

考虑了沥青的黏弹性,结合动力学理论,以动态应力强度因子 (dynamic stress intensity factor, DSIF)为表征参量,主要探讨含裂缝沥青路面结构在垂直载荷作用下的动力学特性,其中包括车辆行驶速度、阻尼比、基层回弹模量等因素对 的影响;同时考虑车辆对路面的水平载荷和垂直载荷共同作用下对 的影响。结果表明：车辆高速运行对道路影响要比低速运行影响小;随着阻尼比的增加, 值降低; 的大小对基层模量很敏感,基层模量越大, 值也越大;当有水平载荷与垂直载荷共同作用时, 的峰值有较大提高,而且对道路体系剪应力和拉应力影响显著。     

含多裂纹沥青路面的动力响应分析

考虑沥青材料的黏弹性,结合动力学和断裂力学理论,通过有限元数值模拟研究了含多裂纹沥青路面在移动交通荷载作用下的动力特性,考察了裂纹间距变化对动态应力强度因子以及裂纹尖端应力的影响。研究结果表明,在移动交通荷载作用下基层底面裂纹处于Ⅰ、Ⅱ型动态应力强度因子交替控制下;裂纹间距增大,对基底裂纹应力强度因子的影响逐渐减小;表面裂纹尖端在移动荷载距其较近时受压应力,且随裂纹间距增大,最大压应力先微弱减小后逐渐增大;在移动荷载经过表面裂缝时,裂缝尖端经历了方向相反的剪切作用,随着裂纹间距的增大,最大剪应力呈现先减小后增大的趋势。同时对加铺土工布这一阻裂措施利用数值模拟进行了验证。     

煤岩应力敏感性的有限元数值模拟

利用有限元软件对比了煤岩与砂岩的裂缝界面应变分布规律。有限元法模拟表明：煤岩与砂岩的应力分布有较大差异,煤岩裂缝的最大应变约为砂岩裂缝最大应变的25倍,且煤岩裂缝更容易闭合;结合煤岩裂缝在不同有效应力条件下的应变规律,给出了渗透率随有效应力变化的拟合公式。参照砂岩应力敏感实验程序,对不同围压下煤岩渗透率变化规律的实验研究发现,渗透率拟合公式计算值与实验实测值变化趋势一致,部分煤样渗透率实验值与预测值平均误差小于10%,拟合精度高。研究结果对预测实际煤岩的渗透率和不同有效应力下煤岩渗透率的变化规律具有较高的实用价值。     

含多裂纹沥青路面开裂机制及扩展分析

基于断裂力学基本理论,通过有限元数值模拟方法,研究了同时存在表面裂纹和反射裂纹的沥青路面在交通荷载作用下表面裂纹和反射裂纹开裂机制及扩展路径,深入讨论了路面材料和结构对裂纹扩展路径的影响,分析了表面裂纹的位置对反射裂纹扩展路径的影响,采用多裂纹小梁弯曲试验验证了多裂纹的扩展行为。结果表明：在交通荷载作用下,表面裂纹向着偏离载荷的方向扩展,且扩展路径几乎为直线,反射裂纹则沿着“Z”字形向上扩展;路面结构层模量和厚度的改变能够影响裂纹的扩展路径;反射裂纹总是向着存在表面裂纹的一侧扩展;小梁弯曲试验得到裂纹扩展行为与数值模拟结果一致。     

亚洲大陆主要活动块体的现今构造应力数值模拟

亚洲大陆晚新生代和现代构造变形以活动地块为主要特征,表现为在统一构造格局下不同地块间具有不同的运动方式和速度。为了研究这些具有不同运动学性质块体间的相互作用以及构造变形特征,基于亚洲大陆的总体构造格局构建了二维有限元模型。根据模拟结果,对比已知GPS数据、震源机制解以及地质调查数据等,定量分析了大陆内部主要活动地块构造应力场的分布特征,并探讨了影响亚洲大陆现今构造变形特征的主要因素。结果表明：在我国的西部陆块内,由于周边一系列近EW向弧形活动构造带的存在,导致其内部次级块体运动速率的衰减,从而进一步导致应力环境的变化,由青藏中部的挤压-拉张环境逐渐转变为塔里木、天山地区的完全挤压环境;在西伯利亚地块和印度板块的联合挤压作用下,华北地块上地壳的应力表现为较弱的挤压环境,而在该种应力环境下块体内部伸展构造的成因很可能与其深部的动力学环境有关;华南地块的运动方向与台湾造山带相反,从而形成一个秦岭-大别造山带以南的较强烈的挤压-拉张区;在印度-澳大利亚板块和菲律宾俯冲板块的联合挤压作用下,巽他地块作为华南地块和印支地块的逃逸窗口,表现出以婆罗洲、南海为中心近圆弧形的弱挤压区以及环绕挤压区外缘挤压-拉张区的应力分布特征。     

裂纹面接触对中心裂纹圆盘应力强度因子影响分析

从理论和数值两个方面进行分析,发现受径向集中力和围压作用的中心裂纹圆盘(CCBD)试件裂纹面接触会对II型应力强度因子产生较大的影响。通过理论研究,分析CCBD受集中力和围压作用裂纹面接触时圆盘内部的应力场,采用断裂力学权函数理论,推导得出在集中力和围压共同作用下,考虑裂纹面闭合时应力强度因子的解析解。然后,使用ANSYS软件建立了相应的数值模型计算应力强度因子,并与理论解和相关文献进行对比验证,证明了理论公式的正确性。无论裂纹张合与否,所提出的解析公式都能计算出不同裂纹长度、加载角、围压和摩擦系数的应力强度因子。最后,利用公式分析摩擦系数对应力强度因子的影响,结果表明:随着摩擦系数的增大,I型裂纹的应力强度因子不变,II型裂纹的应力强度因子随之显著减小;当加载角较大时,裂纹面产生更为复杂的二次裂纹,故压剪断裂测试的推荐加载角范围为30°~50°。     

单轴应力下的孔洞–裂隙扩展规律数值模拟

为研究不同孔洞-裂隙（简称\     

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。     

模拟三维裂纹问题的多尺度扩展有限元法

扩展有限元法模拟裂纹时独立于网格,因此该方法是目前求解裂纹问题最有效的数值方法。为了在计算代价不大的情况,实现大型结构分析中考虑小裂纹或提高裂纹附近精度,在裂纹附近一般采用小尺度单元,其他区域采用大尺度单元。提出了分析三维裂纹问题的多尺度扩展有限元法,在需要的地方采用小尺度单元。基于点插值构造了六面体任意节点单元。所有尺度单元都采用8节点六面体单元,这样六面体任意节点单元可方便有效地连接不同尺度单元。采用互作用积分法计算三维应力强度因子。边裂纹和中心圆裂纹算例分析结果表明,该方法是正确和有效的。     

立井井壁温度应力特征分析

基于弹性理论,推导得到了立井内外壁温度差引起的温度应力解答。数学分析表明,立井内壁温度高于外壁温度时,温度应力分量 与 在内壁处取得最大值,在外壁处取得最小值。温度应力分量 随着立井的弹性模量E、泊松比 、膨胀系数 、立井深度z的增大而增大,随着温差 的增大而减小。进一步分析表明,温度应力导致立井内壁处最先发生破裂,这与大量实际立井破裂现象完全吻合。诱发立井破坏的因素中,温度应力的权重大于立井自重荷载的权重,可见温度应力是导致立井破裂的重要因素     

沥青路面高温温度场数值分析与试验验证

利用气象资料预估夏季高温季节沥青路面结构内温度场的分布状况,有助于合理地设计沥青路面结构,在不同结构层使用合适的沥青等级,以防止路面出现过量的车辙。根据传热学基本理论,分析了沥青路面在夏季高温季节的热能传导方式,建立了沥青路面显式格式二维非稳态温度场数值分析模型,并实现了基于有限差分的数值求解。为了解不同地域和气候条件对沥青路面高温温度场的影响,进行了温度场现场试验验证。试验观测结果与数值分析结果的对比,证明了本文数值计算模型的合理性和正确性。     

温度变化对半刚性沥青路面裂缝的影响

半刚性基层沥青路面反射裂缝产生的原因之一是由半刚性基层温度变化引起的。根据路表代表性温度特征,运用有限元平面模型计算了裂缝尖端的应力强度因子,并对影响其大小的各因素进行了敏感性分析。结果表明,面层和基层的模量以及基层的温缩系数的增大会不同程度地导致裂缝尖端应力强度因子的增大,而面层的温缩系数对裂缝尖端应力 强度因子的影响并不明显。另外,增加面层厚度能有效地降低裂缝尖端应力强度因子,并提出碎石基层可有效地减缓路面反射裂缝的扩展的结论。     

裂纹扩展过程的动态仿真技术

岩石断裂力学在岩土工程领域应用越来越广泛,其数值模拟技术是研究的主要方向之一,也是制约断裂力学发展的瓶颈。基于扩展有限元思想,依托ABAQUS用户子单元二次开发技术,引入Heaviside函数模拟不连续位移场,采用裂尖 逼近函数模拟裂尖位移场,通过J积分求解裂尖的应力强度因子（SIF）,最后采用最大周向应力准则,预测裂纹扩展方向,实现了裂纹动态演化过程的扩展有限元数值模拟。通过3个经典断裂力学模型,对比了计算值与理论值,验证了所开发程序的适用性和有效性     

应力波作用下巷道层裂破坏的数值模拟研究

采用LS-DYNA软件,对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、扰动应力波强度pmax对层裂结构形成的影响进行了有效的数值模拟,得到了一定巷道围岩应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征。结果表明：扰动应力波是形成巷帮层裂结构,继而诱发冲击矿压的重要因素;扰动应力波的强度决定了是否形成巷帮层裂结构及其层裂结构的范围大小。研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理,及采取有效地防治技术具有重要意义     

改进的非线性徐变模型及其在混凝土坝施工期温度应力仿真分析中的应用

在目前的混凝土坝温度应力仿真计算分析中,一般采用弹性徐变模型考虑施工期混凝土徐变对温度应力的影响。当坝体内的温度应力比较小时,采用弹性徐变模型计算温度应力是可行的,但当坝体的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坝体的应力呈线性关系,而是呈现出剧烈的非线性变化趋势。温度应力与抗拉强度越接近,相应的非线性徐变变形越大。根据已有的混凝土徐变试验成果,提出了一个用于混凝土坝施工期温度应力仿真计算的混凝土非线性徐变模型,给出了相应的计算方法。算例表明,采用传统的弹性徐变模型与提出的非线性徐变模型计算的温度应力存在一定的差别,采用传统弹性徐变模型计算的温度应力偏大。     

考虑流-固耦合的隧道开挖数值模拟

根据隧道工程施工实际情况和地下水渗流的基本规律,以及弹塑性力学理论,建立了在应力场和渗流场耦合作用下隧道开挖数学模型,借助Comsol模拟了隧道开挖过程中围岩应力场及渗流场的变化规律。研究结果表明：在原岩开挖时,隧道围岩变形及地面沉降大,不利于周围建筑的安全,隧道内积水,施工无法进行;进行灌浆处理后,围岩变形小,地面沉降得到控制,有利于施工及周围建筑的安全。     

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。