落石冲击砂土-EPE-棚洞顶板的精细化动力响应模拟

落石灾害是我国三大地质灾害之一,为了更有效地进行边坡落石防护,基于LS-DYNA显式计算软件依次构建了“砂土-顶板“”砂土-EPE-顶板”三维计算模型,定性研究了各分部结构冲击应力分布规律,定量计算了顶板腹部正中单元、腹部中轴线单元的应力与位移.探究了设置EPE垫层的厚度、型号敏感性分析,揭示了落石、砂垫层、EPE垫层的能量分布特征.研究结果表明：EPE垫层具备良好的“阻滞应力传播”特性,14 m/s冲击速度下,添加0.4 m厚EPE垫层,落石峰值加速度降幅可达27.13%,速度衰减至0所需时间约由0.04 s增至0.06 s,最大冲击位移约由0.3 m增至0.4 m.顶板峰值应力由2.389 MPa降至0.893 MPa,降幅达62.62%,峰值位移由0.391 mm降至0.166 mm.缓冲效果随EPE厚度增加而逐步放缓,EPE设置厚度以0.4～0.8 m为宜,并应结合现场情况选取强度适宜的EPE型号,数值模拟与实验结果一致性较好.添加EPE垫层后,落石内能降低,动能衰减时间延长.砂垫层动能增加内能降低,EPE动能随其厚度减小而逐渐降低,内能逐步升高.     

季冻区矩型渠冻胀数值模拟及试验研究

传统的U型渠混凝土强度较低,抗冻胀性较差,在寒区使用各方面指标难以达到正常运行要求,因此提出新型矩型渠。采用聚苯乙烯泡沫(EPS)颗粒轻质土垫层作为矩型渠的保温材料,对比不同掺量EPS颗粒轻质土对矩型渠的保温效果,结合数值模拟和物理试验模型,分析土体的冻结融化规律及冻融循环后的残余变形量。研究结果表明:土体冻结是单向冻结、双向融化的过程,且土体的最大冻深发生在温度上升段0℃附近;EPS颗粒轻质土垫层对矩型渠土体起到很好的保温作用,EPS颗粒轻质土掺量越高,土体冻胀量和冻深的削减量也越大。     

落石冲击荷载在缓冲土层中的扩散特性研究

常见的落石防护结构如拦石墙、棚洞等往往上覆一定厚度的缓冲土层,以避免落石直接冲击结构造成结构损坏,因此落石冲击荷载在缓冲土层中的扩散特性成为落石防治结构设计必须考虑的重要因素之一.室内物理模型试验与颗粒流程序数值仿真模拟相结合,对不同落石半径、坠落高度、缓冲土层布置条件下落石冲击荷载在缓冲土层中的扩散形式和扩散角度进行了分析.结果表明:落石冲击荷载在缓冲土层中一般以圆锥形进行扩散,不同的缓冲土层材料中其扩散角度存在一定差异;数值仿真模拟与试验结果基本一致,误差在5%～10%之间;与已有的研究成果相比,扩散角均与缓冲材料的内摩擦角相关,但本次研究发现其扩散角度相对偏大.     

矿物资源工程专业课程体系研究

自制冲击力测定装置,测定了刚性和橡胶缓冲柔性两类冲击条件下的冲击力,利用回归分析建立了冲击力的计算数学模型。结果表明,刚性冲击条件下,冲击力与冲击物体的质量、冲击动能的一次方和冲击速度的平方成正比,钢垫对冲击无缓冲作用;刚性冲击时可利用与冲击动能有关线性模型计算冲力;橡胶缓冲冲击的效果只与橡胶厚度有关,且随橡胶厚度的增加而增强;橡胶的缓冲能力与橡胶厚度的关系可用指数方程表示。     

不同形状落石冲击砂垫层试验结果及分析

棚洞结构是山区公路抵抗落石冲击的重要工程手段,落石冲击响应的研究对落石灾害防护结构棚洞结构的设计至关重要。针对不同落石形状导致的冲击作用差异,通过3D打印模具,加工了5种不同形状的砂浆椭球体,研究了5种不同形状落锤对砂垫层的冲击效应。结果表明：不同形状落石的加速度时程曲线不同,达到峰值加速度的先后顺序为D₅、D₄、D₃、D₂、D₁,冲击持续时间为D₁>D₂>D₃>D₄>D₅;不同形状冲击力大小总有尖端椭球体(D₁、D₂)<球体(D₃)<扁平椭球体(D₄、D₅),以球体落石冲击力为基准,得到引入形状系数的冲击力计算公式;通过对冲击力结果的拟合分析发现下落高度对冲击力的影响相对独立,不随落石形状的变化而变化。     

基于降维理念与无量纲解法的落石冲击力推导

落石灾害是我国三大地质灾害之一，防护结构合理设计的前提即是准确解析落石最大冲击力。为探索更为有效的冲击力算法，本研究根据降维理念，结合落石冲击垫层力学特性、几何关系及能量守恒原理，提出了一种落石冲击力的MDR算法。基于室内模型试验及无量纲理念提出了一种无量纲算法。通过杨其新试验算法与扩大系数理念，分别提出了落石冲击力的三角形修正算法、正弦修正算法、数值模拟修正算法。经研究表明：针对某在建特长铁路隧道洞口危岩落石情况，本文5种算法结果整体具备一定吻合度与可靠性。相较而言，日本、瑞士算法结果或适度偏高，这可能由于二者均未考虑垫层参数影响所致。杨其新算法结果整体相对偏低。通过Pichler野外落石冲击试验及彻底关大桥冲击灾害实例，再次验证了本研究算法可靠性，研究成果可为落石防护工程设计提供借鉴参考。     

EPS颗粒轻质混合土的蠕变模型及其有限元二次开发

为研究EPS颗粒轻质混合土在荷载作用下的长期变形性质,即蠕变性,建立EPS颗粒轻质混合土的半经验半理论蠕变模型,用2个开尔文模型和1个虎克弹簧串联表示弹性变形,用2个经验模型表示塑性变形。利用有限元软件ABAQUS的用户子程序CREEP将EPS颗粒轻质混合土的半经验半理论蠕变模型进行二次开发,并利用室内三轴不排水蠕变试验进行验证。结果表明:EPS颗粒轻质混合土的蠕变性不可忽略,二次开发的半经验半理论蠕变模型是合理有效的,能够比较好地反映EPS颗粒轻质混合土的蠕变变形性质,为后续的蠕变性研究提供了强大的有限元分析手段。     

基于离散元方法斜碰落石冲击力的数值研究

落石灾害往往给交通基础设施、过往车辆、行人等造成极大威胁。落石冲击力是落石灾害防护结构设计的主要荷载,因此,对落石冲击力进行深入研究能为防护结构的设计提供理论参考。对比分析了PFC3D模型与现有落石冲击力公式计算结果差异,并采用离散元程序,对落石不同半径、不同角度地冲击作用进行了数值模拟。结果表明:PFC3D离散元程序能够用于落石冲击力的计算;在冲击能量相同的情况下,落石斜碰作用冲击力不及正碰作用,当冲击角度α50°时,斜碰作用冲击力与正碰作用冲击力相差变小;并且落石冲击力切向分量随着角度先增加后减小,角度越缓,落石冲击力主要由切向力控制。当斜碰垂直分速度与正碰速度相同的情况下,斜碰冲击角度越缓,落石冲击力反而越大,切向力占比越大。研究结果可为落石斜碰作用下防护结构的设计提供参考。     

基于离散元方法斜碰落石冲击力的研究

落石灾害往往给交通基础设施、过往车辆、行人等造成极大地威胁。落石冲击力是落石灾害防护结构设计的主要荷载,因此,对落石冲击力进行深入研究能为防护结构的设计提供理论参考。本文对比分析了PFC3D模型与现有落石冲击力公式计算结果差异,并采用离散元程序,对落石不同半径、不同角度地冲击作用进行了数值模拟。结果表明：PFC3D离散元程序能够用于落石冲击力的计算;在冲击能量相同的情况下,落石斜碰作用冲击力不及正碰作用,当冲击角度α>50°时,斜碰作用冲击力与正碰作用冲击力相差变小;并且落石冲击力切向分量随着角度先增加后减小,角度越缓,落石冲击力主要由切向力控制。当斜碰垂直分速度与正碰速度相同的情况下,斜碰冲击角度越缓,落石冲击力反而越大,切向力占比越大。本文的研究结果可为落石斜碰作用下防护结构的设计提供参考。     

EPS土工泡沫作为挡土墙抗震缓冲层的数值模拟

考虑到EPS（聚苯乙烯泡沫）具有自重轻、耐久性好、抗震性能好等特点,利用有限元程序建立设置EPS缓冲层的挡土墙模型。通过对高为4 m和8m的重力式挡土墙模型的地基底部边界施加不同振幅强度（0.1g ~ 0.7g）和频率为3Hz的简谐激励,研究了EPS厚度、振动强度与墙体位移增量、墙体转角和侧向推力增量之间的关系。参数结果表明：EPS是一种经济、隔离振动效果好的缓冲层,可以有效地减少重力式挡土墙结构的振动反应。墙体受振动引起的位移增量、转角增量和侧向推力增量随着EPS缓冲层相对厚度的增加而增大,两种高度的墙体分别在缓冲层厚度达到20%、40%时,隔离振动的效率达到最优,并且能显著减小墙体的侧向土压力。     

聚苯乙烯纤维轻质混合土的抗压强度特性

通过室内无侧限抗压强度实验,研究在聚苯乙烯(EPS)轻质混合土中加入改性聚丙烯纤维,对聚苯乙烯轻质混合土强度特性的改良作用.实验材料为淤泥质粉质黏土、球状EPS颗粒、普通硅酸盐水泥、改性聚丙烯纤维,总含水率为60%,水泥掺入量为15%,EPS掺入量分别为1%、2%、3%,聚丙烯纤维掺入量分别为0、0.05%、0.1%、0.2%、0.4%.结果表明:在水泥掺入量一定时,抗压强度随纤维掺入量的增加显著提高,纤维掺入量达0.4%可以明显提高轻质混合土的无侧限抗压强度;在轻质土中加入纤维,能够提高其残余强度,提高其韧性,试样变形15%后还能保持其完整性,破坏时为塑性破坏.     

聚苯乙烯轻质混合土强度变形特性的微观试验研究

聚苯乙烯(EPS)轻质混合土是一种新型的轻质土工材料.通过扫描电镜对聚苯乙烯颗粒轻质混合土的微观性状进行了研究,从轻质混合土的微结构基本单元的形状、基本单元体的接触状态、基本单元体间的联结形式等微观角度解释了轻质混合土的强度变形机理.其微观结构研究表明,轻质混合土试样内部由于水泥水化、水解形成的网络状胶结结构是其强度的主要来源;轻质混合土中的EPS颗粒是通过置换效应和空间效应影响强度变形特性的.     

输电线路用EPS混凝土缓冲吸能特性的数值研究

EPS混凝土具有更加显著的缓冲吸能能力,特别适用于重要输电线路防撞设施.利用数值模拟的方法对两种粒径的泡孔/EPS混凝土进行了数值计算,克服了实验中难以把泡孔和EPS颗粒完全对应的问题,进而研究了泡孔混凝土和EPS混凝土在冲击载荷作用下的缓冲吸能性能.     

垫层厚度对长短桩复合地基性状影响的试验研究

为了研究垫层厚度对长短桩复合地基工作性状的影响,在室内模型试验的基础上,对无垫层2、cm垫层和5 cm垫层三种情况下长短桩复合地基的荷载与沉降的关系、桩土应力比、荷载分担比等问题进行了分析,结果表明,长短桩复合地基的沉降量随着垫层厚度的增加而增加;长桩桩土应力比随垫层厚度的增加而减小,短桩桩土应力比的变化不如长桩明显;无垫层时,长桩荷载分担比较大,桩间土和短桩荷载分担比很小,铺设垫层后,随垫层厚度的增加,长、短桩荷载分担比都逐渐减小,桩间土荷载分担比逐渐增大。     

GFRP管约束泡沫柱抗侧向冲击数值模拟

通过对玻璃纤维(GFRP)空管和GFRP管约束泡沫柱进行低速冲击有限元模拟,研究冲击高度对试件冲击力时程曲线和吸能效果的影响;将GFRP管约束泡沫柱与GFRP管约束混凝土柱的冲击力时程曲线进行对比,研究不同填充材料对试件冲击力时程曲线和吸能效果的影响。研究结果表明:随着冲击高度的增加,试件的冲击力峰值增大,试件的吸能效果降低;填充泡沫比填充混凝土具有更好的吸能效果,可以更有效抑制冲击荷载的增加;GFRP管约束泡沫柱抗侧向冲击破坏分为两个阶段,前一阶段GFRP失效,后一阶段泡沫复合材料芯材失效。     

锈蚀钢筋混凝土梁抗冲击荷载数值模拟研究

为研究冲击作用下锈蚀钢筋混凝土梁的力学性能与破坏模态,通过混凝土梁冲击试验,校核了有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立的钢筋混凝土梁结构精细化有限元模型的冲击力时程曲线、跨中位移时程曲线和破坏模态的准确性。在已验证有限元模型的基础上,研究钢筋锈蚀率对混凝土梁抗冲击性能的影响。有限元分析表明：混凝土构件在冲击作用下导致的混凝土剥落程度随钢筋锈蚀率的增加而增加。各冲击高度下的锈蚀钢筋混凝土梁均表现出弯曲破坏特征。钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件的抗冲击性能具有一定的影响,在相同落锤冲击高度下,冲击力峰值随钢筋锈蚀率的增大逐渐减小,跨中位移随钢筋锈蚀率的增大而增大。当冲击高度为3.0 m时,锈蚀率为30.0%时的冲击力峰值降低到未锈蚀时的17.9%,跨中位移为增加到未锈蚀时的33.3%。     

EPS混合土处理桥台软土地基模型试验

聚苯乙烯泡沫颗粒轻质混合土(EPS混合土)具有质轻、强度可调可控及环境友好等特点,作为复合土工材料常用于地基处理。设计并完成了小比尺室内模型试验以研究EPS混合土处理桥台软弱地基的效果。采用粒子图像(PIV)测速技术监测桥台地基的位移场,对比分析了软土地基桥台背后回填砂土、水泥土,以及2%、3%和4%3种不同配比的EPS混合土时的台背侧向土压力及地基土变形特征。结果表明:与传统的砂土填料相比,EPS混合土可以有效减小台背侧向土压力,在本文试验配比范围内,台背侧向土压力随着EPS颗粒含量的增加而减小;EPS混合土可显著减小回填土表面沉降量,其不均匀沉降也较砂土填料大为改善,地表的沉降量与测点距桥台的距离之间趋向于线性关系;回填EPS混合土时,填土表面出现的不均匀沉降主要是由于桥台地基软土层在荷载作用下出现趋向桥台底部的滑移变形,从而引起整体刚度较大的回填EPS混合土层倾斜。工程实践中,应对EPS混合土的回填深度进行综合考虑。     

基于弹性理论的块体冲击力和冲击能测算

针对冲击力计算模型无法准确地将接触力与局部变形联系起来的问题,进行了块体冲击的理论计算和实验研究,以提高落石的冲击力和冲击能的计算精度,进而对防护网进行优化设计。将弹性网视作弹性膜,引入狄拉克函数划分“单向均匀拉伸区”和“双向均匀拉伸区”,通过伽辽金法推导出了落石冲击力和冲击能的计算公式,最后对施加不同预拉力的弹性网进行冲击实验。将弹性网的变形量代入上述公式计算冲击力和冲击能,分析误差产生的原因。并提出修正系数对结果进行修正,修正后的冲击力、冲击能最大误差为2.8%、3.9%。与现有的落石冲击力和冲击能测算方法相比,所提测算方法更为简化,可用于模型试验中测算落石的冲击力和冲击能,为落石防护的优化设计提供基本依据。     

水泥土泥皮下土与结构接触面的单剪特性

采用大型单剪仪进行粗粒土与混凝土接触面在水泥土泥皮(粘土中掺入水泥)条件下的剪切试验,揭示泥皮条件下接触面的力学特性与机理.试验结果表明,峰值强度以及剪胀发生所对应的位置与法向应力大小有关,峰值强度所对应的剪应变滞后于产生剪胀的位置.剪切破坏时,在同一高度处,法向应力越大,切向位移也越大;同样的法向应力及高度处,切向位移随水泥含量的提高而增大.以单剪试验为原型,采用颗粒流模拟程序PFC建立水泥土泥皮条件下粗粒土与混凝土接触面的单剪模型,通过对接触面试验试样内部特征点在剪切过程中运动状态的追踪,分析了土体的扰动高度及其主要影响因素.研究发现,扰动高度与粗粒土的最大粒径、法向应力以及粗糙程度(有无泥皮)等有关.对粗粒土,靠近结构面3～4倍最大粒径的区域内土颗粒切向位移明显,形成明显的剪切错动带,因此,建议该剪切错动带厚度为有厚度接触面单元厚度.     

EPS板减载措施在明洞高回填土应用中的数值模拟研究

以兰渝铁路兰州枢纽工程长寿山隧道二号明洞为工程背景,分别研究了不同回填高度下有无EPS板以及EPS板厚度不同时对明洞结构的减载效果。计算结果表明:EPS板宽度与明洞结构宽度相同时,铺设EPS板对于拱顶减载效果明显;并且在EPS板厚度为30 cm时减载效果最佳,但对于拱腰没有明显减载效果;铺设EPS板时,EPS板中部土体位移与两侧土体位移差明显,上部土体下沉较大,进一步验证了EPS板的减载作用机理;回填土高度在30 m以上时,结构顶部铺设EPS板对于减小拱顶结构的竖向位移效果明显。