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关键词： CT三维重构   疲劳损伤   盒维数   阈值效应   数值模拟  

摘要： 为了深入探究不同蠕变损伤条件下煤岩疲劳损伤演化特征，揭示煤岩内部复杂孔裂隙结构变化与其劣化失稳之间的内在联系，以室内试验结果为基础，开展不同蠕变损伤煤岩三维重构量化分析以及裂隙盒维数分形分析，对煤岩内部复杂孔裂隙结构变化展开详细研究；借助PFC3D数值模拟软件生成了不同随机孔裂隙率的煤岩试样，模拟了不同蠕变损伤条件下煤岩的疲劳损伤特性。研究结果发现：煤样内部孔裂隙大小、数量及连通情况受加载时长及个体差异影响表现出高度随机性；蠕变损伤煤样裂隙盒维数显著增加，随时间推移煤样内部孔裂隙结构愈加复杂、无序并伴随阶段性特征；煤岩数值模拟结果与室内试验的破坏模式及力学特性较为接近，煤样内随机生成的孔裂隙率对煤样劣化失稳存在明显阈值效应，低于此阈值，孔裂隙未完全离散试样，仅在局部形成连通程度较高的劣化区域，产生明显的局部拉剪破坏；高于此阈值，试样被随机产生的孔裂隙离散成若干微小单元体，煤样整体强度大幅降低，破坏模式为整体塑性破坏。

关键词： 巨型冲击式机组   配水环管   数值模拟   温控措施   温度应力  

摘要： 巨型冲击式机组配水环管外包大体积混凝土,水化温升对管内水体温度影响显著,配水环管结构复杂,当管内水体温度变化时,管内水体对管壁的压力随之发生改变,引起管道收缩或扩张变形,造成外包混凝土与配水环管之间的间隙,不利于机组安全稳定运行。由于巨型冲击式机组的实际工程应用较少,目前缺乏可供参考的外包混凝土温控仿真、配水环管内部水温变化原位数据及数值模拟等研究经验。以某拟建电站巨型冲击式机组配水环管外包混凝土为研究对象,机组单机容量515 MW,采用FZFX3D软件,数值模拟分析了施工期和运行期100 d内配水环管内部水体和外包混凝土温度动态变化过程。研究结果表明,当施工期为夏季,管内初始水温为15℃时,多种温控措施协同作用下配水环管外包混凝土温度可控制在35℃以内,满足大体积混凝土温度控制标准;外包混凝土温升引起内部水体温度上升值控制在6℃以内,保压水头上升87 m,未超过配水环管充水保压设计容许上限。研究结果可为西部高寒地区类似巨型冲击式机组配水环管外包混凝土温度应力分析和配水环管稳定运行提供借鉴。

关键词： 离心泵   空化   温度   熵产理论   数值模拟  

摘要： 该文以离心泵为研究对象，采用一种考虑温度影响的空化数值预测方法，获得不同温度下的离心泵空化及流场特性。研究结果表明：随着水温升高，空化导致的离心泵性能曲线下降提前出现，对应于更大空化数工况；在相同空化数条件下，随着水温升高，叶轮内的空化面积增大。由于空化伴随能量消耗，该文采用熵产理论分析了离心泵流场的能量特性，结果表明：湍流熵产和壁面熵产是叶轮区能量损耗的主要形式，受温度显著影响的是湍流熵产；温度升高促使空化程度加重，导致能量损失增大，且能量损失集中在空泡下游区域、局部流动分离和旋涡区域。

关键词： 盾构隧道   围岩变形   岩溶地层   安全距离   数值模拟   正交试验  

摘要： 盾构隧道施工穿越复杂岩溶地层时，会造成较大的施工扰动，从而显著增加地表过大沉降或局部坍塌的风险，严重威胁盾构施工安全。以济南轨道交通4号线唐冶站至程家庄站区间盾构隧道穿越岩溶地层段为研究背景，采用数值模拟方法研究隧道上穿及侧穿溶洞时的围岩位移场、塑性区的演化规律，并对模拟结果进行回归分析，根据塑性区贯通原则，考虑围岩等级、隧道埋深以及溶洞洞径三种因素的正交试验方案，分别建立隧道上穿以及侧穿溶洞的溶-隧安全距离预测模型。结果表明：隧道上穿溶洞时，随着溶-隧间距增加，拱底隆起增加，拱顶沉降减小，左右拱腰水平位移减小，塑性区贯通趋势减小；隧道侧穿溶洞时，随着溶-隧间距增加，拱顶沉降减小，近溶洞一侧的拱腰水平位移减小，塑性区贯通趋势减小。溶-隧安全距离随着各因素的增加而增加，不同因素的影响程度表现为：溶洞洞径>围岩等级>隧道埋深。通过理论分析和预测模型，应对唐冶站至程家庄站区间盾构隧道下方5 m以及侧方3 m的范围进行加固。研究成果为济南轨道交通4号线盾构隧道穿越岩溶地层段围岩加固提供了理论依据，对于指导现场施工具有重要意义。

关键词： 煤岩瓦斯动力灾害   冲击波   防突风门   失效机理   数值模拟  

摘要： 防突风门是保持通风系统稳定的关键构筑物，当煤岩瓦斯动力灾害发生时，形成的强烈冲击波在传播过程中会破坏防突风门，导致瓦斯逆流和瓦斯积聚现象，甚至会诱发二次灾害，为了研究煤岩瓦斯动力灾害冲击波作用下防突风门的失效机理，以冲击波的超压—冲量理论为核心，建立防突风门屈曲失效的P-I理论模型，利用LS-DYNA软件模拟防突风门在冲击波作用下的动态响应规律，并将模拟得到风门的破坏情况和风门屈曲失效的P-I理论模型进行对比。研究结果表明：煤岩瓦斯动力灾害冲击波导致风门失效的根本原因是冲击载荷产生的超压和冲量使风门的响应形式发生变化；在灾害冲击波作用下，风门的薄弱位置在门扇中心区域、门扇与门框的连接处；当初始瓦斯压力超过1 MPa时，10 mm厚的Q235钢质风门发生屈曲失效，不同厚度风门的等效应力、位移、速度、能量场分布具有相似性，风门的厚度越大，在相同冲击载荷作用下获得的等效应力、位移、速度、能量越小，抗灾能力越好，且高强度的钢材料抗冲击性能更好；数值模拟结果和屈曲失效P-I理论模型对风门失效情况的判定结果一致，P-I理论模型可以用来判定防突风门是否发生屈曲失效；以风门材料的屈服极限为判定依据，建立了防突风门屈曲失效的极限状态方程，当极限状态方程大于0时，防突风门发生屈曲失效。研究结果对井下防突风门的安设和煤岩瓦斯动力灾害的防治提供了理论指导。

关键词： 裂隙岩体   渗透率   剪切   离散裂隙网络  

摘要： 本研究建立了含断层的三维离散裂隙网络（DFN）模型，模拟了CNS边界条件下DFN内断层剪切的过程，分析了开度各向异性、法向刚度及边界应力对裂隙网络的剪切损伤特性的影响机制，开展了不同流动方向的DFN内流体流动数值模拟研究，获取了断层剪切过程中含断层DFN模型的流体分布状态和渗流各向异性特性，阐明了断层剪胀‘增透’与裂隙网络压缩‘降透’的竞争作用机制，受剪切位移、法向刚度及边界应力共同调控。在相同的剪切位移（us）下，开度标准差σ0升高，DFN的损伤率逐渐降低，DFN和断层中的流体因开度空间异质性沿局部高渗透通道集中流动（沟槽流）的现象均会更加明显。边界刚度和应力（σy）的增加会加剧DFN的损伤过程，在断层剪切位移从0增加至40 mm时，DFN的损伤率增量最大。随着边界刚度和应力的逐渐增大，DFN和断层中的流体流动更加集中。断层的剪切会使得流体沿z轴方向的渗透系数显著升高，当us大于160 mm时，由于断层剪切产生的法向应力和剪切应力已远大于σy，σy对模型渗透系数的影响已被极大地弱化。当流体沿z轴方向流动，在us=200 mm时，所有边界条件下的模型中流体在断层中的流量占比均超过了0.94，模型中流体几乎全部经断层流过。

关键词： 自复位装配式梁柱节点   抗震性能   数值模拟   参数分析   装配式结构  

摘要： 本研究提出了一种新型自复位装配式梁柱节点，基于ABAQUS分析平台建立了14个有限元模型，包括1个现浇对比模型和13个自复位装配式梁柱节点模型，系统分析了预应力筋配筋率、强度及耗能筋截面积等关键参数对节点抗震性能的影响。研究结果表明，自复位装配式梁柱节点的滞回曲线呈现典型的旗帜形特征，与传统现浇节点相比，其残余变形显著减小，而刚度、承载力、延性等抗震性能指标基本相当，满足装配式结构"等同现浇"的技术要求。参数分析显示，预应力筋数量对节点的刚度、承载力和屈服位移具有显著影响，但会导致延性和耗能性能的降低；预应力值主要影响节点的承载力、初始刚度和延性性能，同时会降低耗能能力；耗能筋截面积对节点的耗能能力和承载力影响显著，但对变形能力的贡献相对有限。

关键词： 煤炭地下气化   多尺度   关键物性   多物理场耦合   物理模拟   数值模拟  

摘要： 煤炭地下气化（Underground Coal Gasification， UCG）作为一种清洁高效的煤炭开发利用技术，具有广阔的应用前景。本文从多尺度视角出发，系统探讨了UCG技术的“五多”特性（多相、多组分、多物理场耦合、多尺度、多流动模态）及其研究进展。在分子（纳米）尺度上，通过实验和分子动力学模拟方法，揭示了煤炭热解和气化过程中的反应路径及机理，明确了气化剂类型、煤阶、灰分等因素对反应速率和产物组成的影响。在孔隙（微米-厘米）尺度下，研究了高温和气化反应对煤体孔隙结构和物性演化的影响，在煤炭被加热的过程中，骨架逐渐软化，裂缝不断发育，孔隙相互连接，挥发分和焦油逐渐析出，强度持续降低。实验室（米级）尺度的研究通过构建与原位UCG相似的物理化学环境，开展物理模拟实验，重现了气化过程中的关键现象，如温度场、压力场变化、气化腔结构和气体产物生成，研究表明运行压力、气化剂注入方式、煤阶等因素对合成气热值和组分有显著影响。在矿场（百-千米）尺度下，数值模拟方法成为优化UCG方案的重要工具，热-力耦合和热-流-固-化耦合的数值模拟研究揭示了气化过程中气化腔体的稳定性、岩层变形、特征场发展、气化腔拓展以及合成气生成与运移规律，为优化UCG工艺参数、提高气化效率和安全性提供了理论支持。然而，UCG技术仍面临诸多挑战，包括“多相”“多组分”反应和赋存机理复杂、“多物理场”耦合特征的演化规律不清晰以及“多尺度效应”和“多流动模态”的综合影响。未来的研究应进一步加强多尺度下的基础研究，加强对超高温、高压、高应力环境下的多相多组分流体生成与运移过程探索，发展跨尺度关联方法，完善多物理场耦合机制，充分考虑多流动模态影响，综合考虑气化期高效生产与闭井期污染防控全周期协同影响，以推动UCG技术的工业化应用和可持续发展。

关键词： 软土地区   碎石桩   复合地基   变形特性   数值模拟  

摘要： 软土含水率高、易液化、强度低、稳定性较差，且多呈海绵状或蜂窝状结构。采用碎石桩处治软基，在挤密和置换地基土的同时，还可以促进土体的排水固结进程。碎石桩与桩周土共同构成复合地基，一起承担地基上方的荷载。采用GeoStudio有限元分析软件基于碎石桩墙法建立了碎石桩土结构数值模型，并结合室内试验验证了模型的正确。在此基础上，对施工及运营阶段碎石桩复合地基的内部应力、地基表面变形以及桩体变形特性进行了研究。结果表明：与未经处治的软基相比，复合地基12 m深度处的竖向应力整体大于软基，复合地基顶面桩土应力比随着桩体与地基中心距离的增加呈现出先增大后减小的趋势；在施工期间，复合地基的沉降量减少30%,地基水平变形量减小近50%;进入运营阶段后，复合地基的沉降量减少36%,沉降速率逐渐平缓；位于地基中心位置的碎石桩发生鼓胀变形，位于地基边缘的碎石桩发生弯曲变形。

关键词： 隧道开挖   ANSYS/LS-DYNA   掏槽爆破   聚能爆破   数值模拟   初始地应力  

摘要： 为提高钻爆法在复杂地质条件隧洞掘进中的施工效率，并降低其对周围环境的影响，提出将聚能装药结构应用于隧洞开挖中的掏槽爆破。运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对聚能装药掏槽爆破破岩过程进行模拟，并建立常规掏槽爆破模型作为对比，通过对炮孔壁特征点压力时程曲线、特征点振动速度、应力波传播过程以及岩体破坏过程进行分析，探究将聚能装药结构应用于掏槽爆破的可行性。结果表明：在装药量相对于常规装药减少21.6%的前提下，炮孔壁聚能方向压力峰值相对于常规爆破提高了36.6%,炮孔壁非聚能方向压力峰值相对于常规爆破减小了11.9%,质点振动速度相对于常规掏槽爆破平均降低17.5%;聚能爆破下掏槽孔间形成了比常规掏槽爆破更大的破坏区，但掏槽区岩体破碎率低于常规掏槽爆破；在初始地应力条件下，聚能掏槽爆破能够在裂纹扩展受到抑制的情况下仍形成孔间贯穿裂纹。该方法可以减少掏槽爆破振动并提高岩体破碎区，有利于在高地应力以及硬岩条件下进行钻爆法施工。