碳纤维布层数对煤圆柱力学特性影响的细观研究.pdf
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1、碳纤维布层数对煤圆柱力学特性影响的细观研究李庆文1,2,曾杏钢1,张向东2,禹萌萌1,刘艺伟1,曹行1,3(1.辽宁工业大学土木建筑工程学院,辽宁锦州121001;2.辽宁工程技术大学土木工程学院,辽宁阜新123000;3.重庆交通大学土木工程学院,重庆400074)摘要:为探究碳纤维布(CFRP)层数对煤圆柱力学特性的影响。利用三维的 FLAC-PFC 耦合方法,建立 CFRP 被动约束煤圆柱的连续非连续耦合模型,基于已有 02 层 CFRP 被动约束煤圆柱试验数据验证了细观模型的有效性,并在此基础上开展 37 层 CFRP 布对煤圆柱力学特性及能量演化的影响研究。结果表明:煤圆柱的屈服点与
2、峰值点随 CFRP 层数增加而渐进重合,呈现毫无征兆的屈服即破坏状态;随着 CFRP 层数增加,煤圆柱峰值强度增幅呈现先增大后减小,得到了表征不同层数下 CFRP 约束煤样峰值强度增幅演化规律的函数,峰值应变增幅呈现先增加后减小,而后再增加又减小的规律;弹性应变能恒定时,煤圆柱轴向应变与 CFRP 层数无相关性,但其峰值应变与极限应变均随 CFRP 层数增加而增大;峰值点耗散能转化率随 CFRP 层数增加呈现先增大而后减小规律,建立了表征不同层数下 CFRP 约束煤圆柱耗散能转化率演化规律的函数;从应力应变曲线延性特征、峰值强度增幅、峰值应变增幅、耗散能转化率及总能量增幅等 5 方面综合考虑,
3、兼顾经济成本与缠绕水平原则,确定 3 层为 CFRP 约束煤圆柱的最优缠绕层数。关键词:煤圆柱;碳纤维布层数;被动约束;PFC-FLAC 耦合方法;力学特性中图分类号:TD315文献标志码:A文章编号:02532336(2023)08007313Mesoscopic study on the effect of CFRP layers on the mechanical properties ofcoal circular-columnsLIQingwen1,2,ZENGXinggang1,ZHANGXiangdong2,YUMengmeng1,LIUYiwei1,CAOHang1,3(1.S
4、chool of Civil and Architectural Engineering,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China;2.School of Civil Engineering,Liaoning Tech-nical University,Fuxin 123000,China;3.School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)Abstract:InordertostudytheeffectofCFR
5、Playersonthemechanicalpropertiesofcoalcylinders.Adiscrete-continuouscoupledmeso-mechanicalnumericalmodelofCFRPpassivelyconfinedcoalcylinderswasdevelopedusingathree-dimensionalFLAC-PFCcouplingmethod.Thevalidityofthemodelwasverifiedwithexperimentaldataof0-2layersofCFRPpassivelyconfinedcoalcylinders.On
6、thisbasis,studiesoftheinfluenceof3-7layersonmechanicalpropertiesandenergyevolutionofCFRPconfinedcoalcylinderswascarriedout.TheresultsshowthattheyieldlimitandthepeakofthecoalcylindersgraduallycoincidewiththeincreaseofCFRPlayers,showingastateofyieldingorfailurewithoutwarning.WiththeincreaseofCFRPlayer
7、s,theincrementinthepeakstrengthofcoalcylindersfirstin-creasesandthendecreases.AfunctionisobtainedtocharacterizetheevolutionofthepeakstrengthincrementofCFRPconfinedcoalcyl-indersunderdifferentlayers.Theincrementinthepeakstrainshowsabehavioroffirstincreasingandthendecreasing,andthenincreas-inganddecre
8、asingagain.Whentheelasticstrainenergyisconstant,theaxialstrainofthecoalcylindershasnocorrelationwithCFRPlay-ers,butitspeakstrainandultimatestrainbothincreasewiththeincreaseofCFRPlayers.ThedissipativeenergyconversionratioatpeakpointincreasesfirstandthendecreaseswiththeincreaseofCFRPlayers.Afunctionis
9、establishedtocharacterizetheevolutionofthedis-收稿日期:20220628责任编辑:朱恩光DOI:10.13199/ki.cst.2022-0976基金项目:国家自然科学基金资助项目(51774166);辽宁省自然科学基金面上资助项目(2023-MS-298);辽宁省博士科研启动基金资助项目(2019-BS-120)作者简介:李庆文(1987),男,辽宁绥中人,讲师,硕士生导师,博士。E-mail:第51卷第8期煤炭科学技术Vol.51No.82023年8月CoalScienceandTechnologyAug.2023李庆文,曾杏钢,张向东,等.碳
10、纤维布层数对煤圆柱力学特性影响的细观研究J.煤炭科学技术,2023,51(8):7385.LIQingwen,ZENGXinggang,ZHANGXiangdong,et al.MesoscopicstudyontheeffectofCFRPlayersonthemechanicalpropertiesofcoalcircular-columnsJ.CoalScienceandTechnology,2023,51(8):7385.73sipativeenergyconversionratioofCFRPconfinedcoalcylinderswithdifferentlayers.Thedu
11、ctilitycharacteristicsofstress-straincurves,peakstrengthincrement,peakstrainincrement,dissipativeenergyconversionratioandtotalenergyincrementofcoalcylindersarecon-sideredcomprehensively,andtakingintoaccounttheprinciplesofeconomiccostandwindinglevel,thethreelayersaredeterminedastheoptimalwindinglayer
12、sforCFRPconfinedcoalcircular-columns.Key words:coalcylinders;CFRPlayers;passiveconfinement;PFC-FLACcouplingmethod;mechanicalproperties0引言煤柱作为地下煤炭资源开采过程中一种普遍使用的支护结构,每年会产生大量的地下废弃煤柱,不仅承受上覆岩层荷载,还受到复杂地质环境的腐蚀,导致逐渐丧失承载能力,造成采空区地表沉降,严重威胁高铁的运行安全1-4。因此,废弃煤柱加固已成为岩石力学领域,特别是采空区沉降控制领域的热点研究课题之一5。目前,煤柱加固主要采用锚索6、注浆7、
13、喷射混凝土8、充填墙9-10等一种或多种耦合方法,但在煤炭资源的采出率方面,提高不显著。碳纤维增强复合材料(CFRP)作为一种能够有效提供侧向约束力的加固材料,因其具有轻质高强、力学性能优越、耐腐蚀和易施工等优点,被广泛用于复杂环境的工程结构或构件的加固和修复等方面11-13。鉴于此,DAS 等14率先提出使用 CFRP 布均匀缠绕标准煤圆柱试件开展单轴压缩试验,充分利用CFRP 布提供的被动侧向约束力,使之从单一受力状态转变为三向受力状态,从而达到加固的效果,室内试验与数值模拟的结果均表明 CFRP 布对煤承载效能及吸能水平均有极大提高,并且展现出在缩小煤柱留设尺寸、提高预留煤柱回采率及对煤
14、柱的加固等方面具有一定的潜在研究价值;刘洪林等15、李庆文等16、姚强岭等17也已开展了 CFRP 布均匀缠绕标准煤圆柱试件的相关研究工作,多集中于不超过3 层的,而 3 层以上 CFRP 布对煤圆柱力学特性影响方面的研究仍比较少见。由于煤是一种天然不连续、非均匀和各向异性的散体材料18,而 CFRP 是一种均质、高强的拉伸约束材料19,二者的材料本质属性各异,导致 CFRP 被动约束煤圆柱的相互作用非常复杂。目前,国内外对于主体材料属性复杂的主要采用数值模拟的方法来研究,而对于数值模拟技术,主要以连续介质力学为基础的有限元方法(FEM)和有限差分方法(FDM),比如 DasAJ 等将煤样、C
15、FRP 布材均采用 FDM 软件 FLAC3D进行数值计算,而煤的模拟则与其非均质属性相背离。目前类煤岩材料多采用离散元方法(DEM)模拟,可有效模拟离散材料属性介质的开裂、分离等非连续现象20。杨磊等21利用 DEM 软件PFC2D探究不同强度比组合煤岩力学响应特征与能量分区演化规律,发现煤岩组合体的强度与变形参数主要受薄弱载体控制,煤与岩石的应变能演化与组合体的相似,煤是组合体积聚应变能的重要载体;靖洪文等22采用颗粒流 PFC2D再现高应力动载扰动耦合下煤巷冲击冒顶全程的细观结构演化特征,发现在界面剪应力和锚杆煤岩组合体拉应力的叠加下,顶板锚索在煤层与直接顶界面处更容易发生破断,且该破断
16、位置积聚了大量拉剪裂纹;卢志国等23利用 PFC2D直观分析含断续结构弱面煤体受载变形过程中的内部破裂行为及裂隙演化规律,发现当应力突降时颗粒间黏结及裂隙数量激增,微破裂相互沟通形成大尺度裂纹,并在试件表面迅速扩展;ZHAO 等24基于PFC3D开发出一种新的柔性墙方法,开展煤样三轴压缩细观模拟,发现煤样内部的力链发展和裂纹分布受到了其他矿物空间分布的影响。由此可见,PFC 能有效捕捉非均质材料细观失效力学行为。因此,了解 CFRP 布的缠绕层数对煤圆柱力学特性的影响,遵从材料本性,采用连续(FLAC)非连续(PFC)的精细化数值模拟技术,比如谭鑫等25-26采用 PFC-FLAC 耦合方法探
17、讨土工织物、土工格栅包裹碎石桩加固软土地基的变形机理;崔旭浩等27采用 PFC-FLAC耦合方法研究有砟轨道碎石与弹性轨枕的动力学特性。基于此,利用有限差分软件FLAC 的土工格栅单元模拟 CFRP 布,PFC 颗粒离散元软件的球形颗粒单元模拟非均质煤圆柱,采用FLAC3DPFC3D耦合方法建立 CFRP 被动约束煤圆柱的连续-非连续细观模型,基于已有 02 层 CFRP约束煤圆柱试验数据验证模型的有效性。并在此基础上,开展 37 层 CFRP 布对力学特性及能量演化的影响研究,并确定最优层数。1CFRP 被动约束煤圆柱细观建模1.1煤圆柱在 FLAC3D6.0 版本软件中加载 PFC3D模块
18、以实现两款软件的耦合使用。在加载 PFC3D模块后开始进行煤圆柱模型的构建,所建立的模型与实验煤圆柱尺寸相同,直径 D 为 50mm,高度 H 为 100mm。借鉴文献 28-30 中煤圆柱 PFC3D模型,煤圆柱粒径2023年第8期煤炭科学技术第51卷74knksknksgs c c 均匀分布在 11.9mm,由 12681 个颗粒组成。采用平行黏结模型来描述 2 个颗粒之间接触的力学行为,接触允许颗粒之间的相对滑移,既可传递力也可传递力矩31-33。平行黏结模型如图 1 所示,图 1 中Fc为接触力,Mc为线性接触力矩,Dc颗粒之间的距离,和 分别为平行黏结法向刚度与切向刚度,和分别为线性
19、接触法向刚度与切向刚度,为颗粒平行黏结激活间隙,为平行黏结拉应力,和 分别为平行黏结强度与摩擦角。阻尼力(F d),未显示线性接触力(F l),线弹性(无拉应力)和摩擦黏结荷载(F and M),线弹性&黏结2RFc=F l+F d+F,Mc=M颗粒 2颗粒 1Dc 0黏结时无黏结(线性接触模型)gsknknksksc,cgsknks图1平行黏结模型33Fig.1Parallelbondingmodel33根据文献 34 中加载速率为 0.1mm/min 的 B组未约束煤圆柱实验结果,利用“试错法”对细观模型参数进行验证和确定28-33。通过不断假定细观参数取值,进行修改与调试,利用 PFC3
20、D模拟得到的应力应变曲线与室内实验曲线作对比,具体比较情况如图 2 所示。需要注意的是,图 2 中第一个字母 B代表 0.1mm/min 的加载速率,字母 CC 代表煤圆柱,最后数字代表室内试验煤圆柱编号,字母 S 表示为数值模拟试件。通过图 2 比较分析可知,确定出符合煤圆柱的细观参数,如下:颗粒密度34/(kgm3)1300颗粒杨氏模量34E/GPa3.68R颗粒半径/mm11.9摩擦因数0.1颗粒刚度比kn/ks1.5平行黏结强度pb_coh/Pa1108平行黏结抗拉强度pb_ten/Pa1.51081.2CFRP 布CFRP 布采用 FLAC3D中的土工格栅单元进行模拟,土工格栅单元表
21、现为一个各向同性的线弹性材料,其力学模型35如图 3 所示,细观参数如下:作用在土工格栅结构上的应力由侧向约束力 m和总剪应力 组成,由土工格栅单元内部形成的膜应力 N 平衡。侧向约束力 m是施加在单元表面的法向应力,是由煤圆柱相邻的颗粒相互挤压膨胀的。通过观察土工格栅表面的颜色变换和凸起变形来分析土工格栅的受力情况。24轴向应变 1/103轴向应力 1/MPa6810051015202530B-CC-134B-CC-234B-CC-334B-CC-S图2未约束煤圆柱试验与模拟应力应变曲线Fig.2Testandsimulatedstress-straincurvesofunconfinedc
22、oalcircular-columnsCFRP 布单元中性面NN+N煤单元 m m单元等代表面积煤单元图3土工格栅单元的力学模型35Fig.3Mechanicalmodelofgeogridelement351.3CFRP 被动约束煤圆柱在 FLAC3D6.0 软件中加载 PFC3D模块以实现CFRP 被动约束煤圆柱的细观建模,如图 4 所示。依据文献 34 中 0.1mm/min 加载速率的 B 组12 层数 CFRP 约束煤圆柱试验,在 Balls 的顶部和底部两端创建了两堵刚性墙,从而代替试验机加载抗拉强度34Tg/MPa918.07极限拉应变34g/1021.94弹性模量34Eg/GP
23、a47.54CFRP布厚度34n/(mmply1)0.167界面剪切刚度25Ks/(Nm3)3.5106界面凝聚力25ci/kPa10.0界面摩擦角i/()30李庆文等:碳纤维布层数对煤圆柱力学特性影响的细观研究2023年第8期75板,模拟室内真实 CFRP 约束煤圆柱的加载过程。模拟加载时顶板固定,通过对底加载板向上施加0.1mm/min 加载速率。同步记录端部的平均应力与位移,从而获得 CFRP 约束煤圆柱整体轴向应力应变曲线,如图 5 所示。这里需要注意:图 5 与图 2 字母与数字组合一致,CFRP 前的数字代表约束层数。CFRP 布FLAC3D标准煤圆柱CFRP 约束煤圆柱PFC3D
24、+=+=FLAC3D+PFC3D球单元格栅+球耦合单元格栅单元图4CFRP 约束煤圆柱细观模型Fig.4Meso-modelofCFRPconfinedcoalcircular-columns51015202530350306090120150180210240B-2CFRP-CC-134B-2CFRP-CC-234B-2CFRP-CC-SB-1CFRP-CC-134B-1CFRP-CC-234B-1CFRP-CC-S轴向应变 1/103轴向应力 1/MPa图5CFRP 约束 12 层煤圆柱试验与模拟应力应变曲线Fig.5Testandsimulatedstress-straincurveso
25、fCFRPcon-finedcoalcircular-columnswith12layers从图 5 分析可知,试验与细观模拟的峰值应力及峰值应变一致,煤圆柱的破坏形态及位置也较为吻合,对比结果表明,采用 FLAC3DPFC3D耦合模拟CFRP 均匀约束煤圆柱效果显著,未约束煤圆柱参数与 CFRP 布参数较为科学准确,依据上述参数采用FLAC3DPFC3D耦合方法,精细模拟研究更多层数CFRP 布对煤圆柱力学特性的影响。1.4细观模拟方案细观模拟方案见表 1,在煤圆柱尺寸、加载速率、颗粒数不变的情况下模拟不同层数 n(37 层)CFRP 被动约束煤圆柱的轴压试验,分析 CFRP 布层数对煤圆柱
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