单位文秘网 2021-07-23 08:21:46 点击: 次
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摘 要:利用最新提出的四维离散弹簧元法(4D-LSM)对岩石圆环的动态抗变形及耗能特性进行研究。首先对4D-LSM用于描述岩石圆环试样破坏的适用性进行了验证,发现4D-LSM可以较好地再现岩石试样的孔径比与破坏形态和强度间的影响规律。在此基础上,对孔隙率、非均质性、厚径比等因素与抗变形及耗能间的规律进行研究,得到了对应的数学公式。利用4D-LSM模拟大变形方面的优势,发现当岩石材料的变形抵抗能力较大时,岩石圆环将表现出与传统仅考虑小变形情况下实验和数值计算不同的破坏形态,岩石圆环的材料抗拉强度与抗变形能力也分别呈现非线性关系。通过建立圆环阵列模型,研究了由多个岩环构成的组合结构的抗变形和能量抵抗能力以及对应的破坏形态。结果表明,组合结构中的圆环单元与单圆环受力的破裂形态有所不同,但单圆环的抗变形及耗能规律仍适用于岩环阵列结构的分析。
关键词:四维离散弹簧元法;岩石圆环;耗能;变形
中图分类号:TU457
文献标志码:A 文章编号:2096-6717(2019)02-0020-09
Abstract:In this work, the deformation resistance and energy dissipation of rock rings were investigated by using the 4D lattice spring model (4D-LSM). Firstly, the 4D-LSM was verified against existing experimental and numerical simulation results in terms of the influence of rock ring size on the failure pattern and strength. On this basis, empirical relationships of the influence of various factors, e.g. the porosity, heterogeneity, and thickness-diameter ratio, on the deformation resistance and energy dissipation of the rock ring were derived from numerical tests with the 4D-LSM. When considering the large deformation, it was found that the failure pattern of the rock ring would be different from the classical experimental and numerical observations. Moreover, different empirical relationships between the deformation resistance and energy dissipation as well as the material ultimate deformation were derived compared to these numerical tests considering small deformation only. Finally, the failure pattern, deformation resistance and energy dissipation of a composed structure made up from an array of rock rings were studied. Numerical results reveal that these relationships obtained for the single rock ring are also applicable to the composed structure.
Keywords:4D lattice spring model; rock ring; energy dissipation; deformation
近年來,地下空间不断得到新的拓展和开发,许多重大基础设施,如地铁、人防工程、核废料处置库等在地下相继修建。长期以来,人们对地下工程的抗震性能都持较为乐观的态度,认为地下工程抗震能力要远优于地上结构,然而,最近一些地震活动导致的地下工程严重破坏乃至坍塌的案例[1]使人们开始对地下工程在地震作用下的稳定性进行更深入的研究。与地面建筑以抗震设计为主不同,地下重大基础设施多采用更为有效的隔震手段[2]。地震属于振动形式的一种,隔振技术主要通过有效的防护措施将建筑物和振动环境进行适当隔离,通过降低能量的输入保证建筑结构在载荷冲击过程中尽量保持正常状态[3]。实际工程中,常采用在重要地下硐室旁开挖辅助硐室的方式来隔离动力灾害,通过钻孔的方式来改变岩体的动力学阻抗也是一种可行的隔震方式。
作为一种新型多功能材料,孔隙材料在能量吸收方面展现了良好的性能[4-8],近年来备受关注。其中,类岩石孔隙材料由于质量轻、耗能好、耐久性高等特点而被用于土建工程中,其吸能减振的机理受到了科研工作者的广泛重视。王智等[9]对多孔混凝土的制备方法进行探究,在保证孔隙率的条件下有效提高了混凝土的强度。黄胜等[10]、赵武胜等[11]将自制的泡沫混凝土作为西藏扎墨公路嘎隆拉隧道的隔震层进行模拟计算,破坏区的范围得到有效缩小,证明了孔隙材料保护隧道免遭地震波冲击的良好性能。王代华等[12]对含有泡沫混凝土层的复合结构在爆破中的能量状态进行模拟,结果显示,孔隙结构对于改变复合结构中的能量分布效果明显,能量穿过孔隙结构后明显衰减。刘海燕等[13]对泡沫混凝土高应变率状态下的吸能特征进行了实验探究,总结了泡沫混凝土在抗冲击过程中的变形规律。叶燕华等[14]在空心砌块墙体中分别注入、不注入泡沫混凝土,并反复加、卸压,对比发现,前者在载荷作用下抗剪强度和极限承载力得到提高,墙体破坏时裂纹扩展分散、速度慢,显示了优良的抗倒塌性能。
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