基于实体数值计算结果的梁柱内力计算方法研究

实体单元是有限元、有限差分等连续数值模拟常用的单元形式,其计算结果通常为应力、变形、塑性区等。而工程结构通常是根据弯矩、轴力、剪力等内力进行配筋,这导致实体单元计算结果不能直接用于配筋设计。基于截面应力与内力转换原理,通过单元边界的线性插值法求出各截面点的应力,将截面网格按截面点数目平分,以此作为截面点应力的作用区域计算截面点的内力,计算出整个截面的轴力、剪力和弯矩等内力值。以AutoCAD作为内力计算结果显示平台,编制了将实体应力计算结果转化为内力图的程序,并采用简单模型进行了程序验证,将之应用于某工程梁柱的配筋设计。研究成果可为基于实体单元数值计算结果配筋分析提供参考。

裂隙岩体断裂破坏扩展数值模拟研究

为进一步了解复杂裂隙断裂破坏过程,基于断裂力学理论,采用PFC2D软件对不同裂隙数量岩体进行数值试验,分析裂隙倾角、围压等因素对岩体强度及裂纹扩展的影响规律。研究表明:随着裂隙倾角增大,单裂隙峰值应力和起裂应力先减小后增大,当围压由2 MPa增加到8 MPa时,峰值应力约从120 MPa增大到160 MPa,且起裂应力随着围压增大而增大,与理论分析结果一致;双裂隙倾角为30°和45°裂隙扩展以翼型裂纹和次生斜裂纹为主,裂隙倾角为60°和90°时主要为共面次生裂纹;不同围压下,随着预制裂隙数量增多,裂隙岩体试样峰值应力逐渐减小。研究成果为进一步探索裂隙岩体失稳破坏规律提供参考。

单面边坡高程放大效应的射线理论解

利用平面射线理论和方法,推导出单面边坡地震的高程放大效应理论解,可用于描述边坡临空面对地震波的反射,反映边坡的高程放大效应.边坡的高程放大效应是由于边坡自由面的反射作用形成的;动弹性模量、泊松比、坡度及入射波频率的综合作用导致高程放大系数稀疏相间、节律变化,入射频率越高,节律性越明显,极值点也越多;自然边坡由于受自由面反射、岩体界面的折反射作用,其值可能远大于坡脚的振动效应.

争岗滑坡堆积体滑面强度参数反演分析

边坡滑面强度参数的确定是岩土工程领域的难题之一。结合澜沧江古水水电站争岗滑坡堆积体工程地质条件,依据堆积体稳定性受暴雨工况控制的实际情况,对三维滑面及边界条件采用栅格控制和克里格插值法构建了争岗滑坡体的三维滑块模型,并对堆积体的稳定性现状进行合理的假设,利用三维极限平衡方法反算出底滑面综合抗剪强度参数。研究结果表明:该参数可反映滑坡体的总体稳定性及失稳破坏模式,与现场勘察的结果相吻合,证明了反算方法的有效性,在此基础上提出了滑坡堆积体治理的基本思路。相应参数反算方法可为相似工程中参数的确定提供有益参考。

基于Hoek-Brown准则的岩石损伤本构模型研究及其参数探讨

在Hoek-Brown准则及假定岩石颗粒服从Weibull函数随机分布的基础上,结合岩石峰后软化的特点,对损伤参量进行合理修正,建立能反映岩石破裂全过程的三维损伤本构模型,并通过试验验证该模型的正确性。研究结果表明,该模型结果与试验结果吻合程度较好。在此基础上,探讨Weibull分布参数及Hoek-Brown准则中参数对岩石损伤本构模型的影响,对实际工程中适用于该准则的岩石有较好的参考价值。

地震作用下陡岩崩塌颗粒离散元数值模拟研究

基于江坪河水电站陡岩边坡,进行块体倾覆分析确定地震影响下潜在的破坏位置,推导地震波在颗粒介质内中传播时的边界条件设置公式,用二维颗粒离散元模拟分析地震作用下陡岩的崩塌灾害。结果表明:基于颗粒离散元的崩塌灾害分析方法可通过颗粒运动轨迹来判断边坡是否稳定,研究边坡破坏扩展过程,并可通过修改边界颗粒的属性来模拟入射地震波及透射边界,可最大限度模拟荷载–岩性–灾害发展的耦合作用;地震作用下顺坡向陡倾角卸荷裂隙发育是影响陡岩边坡稳定的控制性结构面,表层发生局部崩塌、块体失稳的可能性较大,其破坏机制为高烈度地震作用下从表层局部块体崩落开始,继而沿着节理裂隙快速扩展直至上部岩体产生崩塌,破坏规模则主要取决于顺层向裂隙的发育深度。该方法可为崩塌失稳边坡的稳定性研究及灾害预测提供理论依据。

基于数字图像分析的冰水堆积体结构建模与力学参数研究

冰水堆积体是一种典型的混合介质,由软弱"土"与坚硬"石"构成,其参数选取和分析方法困难。利用数字图像重构方法模拟冰水堆积体结构特征,可反映块石分布特征;以基于图像识别的块石分割和颗粒离散元建模分析方法,研究了堆积体内介质分布、土体颗粒强度对混合介质力学参数的影响规律,分析了冰水堆积体变形、峰值抗剪强度及峰后段抗剪强度的变化规律。结果表明:冰水堆积体混合介质在峰值前的变形曲线呈非线性硬化性,峰后呈现塑性特性,其综合抗剪摩擦角随基质土的黏结强度提高而降低;当块石含量小于25%时,抗剪切强度近似等于基质土强度,块石含量高于25%时,抗剪切强度随块石含量增加而提高;由于受块石空间分布影响,块石含量与摩擦角间的相关性要比其与黏结强度间的高;该成果应用于云南古水水电站坝前冰水堆积体发现,含块石混合介质内摩擦角比纯土高0°～8°,与工程判断较吻合。该方法能弥补室内试验不能考虑大尺寸块石的困难,可作为室内试验获取力学参数方法的有益补充。

某工程浅埋型隧洞地表注浆效果研究

针对某工程浅埋隧洞北部穿越VI级围岩区域土体松散、岩体极易破碎,围岩极易坍塌变形的特点,工程选用P·O42.5普通硅酸盐水泥和直径32mm的PE管,通过普通水泥单浆液注浆方法对VI围岩进行超前加固,并通过钻孔取芯法和压水试验检验注浆效果。基于现场施工情况以及施工过程中出现的问题,进一步探讨了注浆工艺效果的保证措施。

基于改进动态规划算法的堆积体滑坡稳定分析

应用图论将堆积体滑坡稳定性分析中最危险滑动面搜索及安全系数计算问题转化为数学领域求最短路径问题。对动态规划算法进行改进,建立基于改进动态规划算法的极限平衡有限元方法,给出该方法的基本方程和路径上应力计算过程,避免引入辅助函数需给定初始安全系数进行迭代计算的缺陷。将该方法应用于溪洛渡左岸谷肩堆积体的稳定性分析,基于滑坡产生、发展、蠕变条件对其稳定性进行判断,对该堆积体的变形破坏机制进行分析和滑面形成条件探讨;借助监测资料揭示的滑面分布,验证改进动态规划算法搜索滑面位置与计算安全系数的准确性;在此基础上提出基于滑坡征兆的堆积体滑坡稳定性分析技术路线,可用于复杂滑坡堆积体边坡的稳定性分析。

节理面透射模型及其隔振性能研究

振动波入射到节理界面上,与软弱断层一样会产生波场的分解,能够起到隔振作用。根据线性变形节理的透反射规律研究发现,隔振后各点的波场可由透射P波与透射S波叠加而成,其能量分配服从Zoeppritz方程,不连续位移造成了透射波的衰减;法向刚度增加透射纵波系数会增加,而切向刚度与透射纵波无关,法向与切向刚度对透射S波均有影响,刚度增加透射S波振幅逐渐降低,逐步逼近于0;由于透射后波场相互干涉,不同波场延时不同,透射合成波与入射波相比,振幅降低,持续时间增加,波形尾段有畸变;总能量系数与节理面的刚度无关,而随入射角增加不断降低。

黏土砾石地层隧洞开挖压力拱数值模拟研究

为分析黏土砾石层中隧洞开挖时周围土体中拱效应的发展规律,基于离散元的方法研究了不同含石率下土体的位移发展过程,分析了隧洞从开挖到塌方结束过程中应力变化曲线,验证了动态压力拱理论在黏土砾石层中的适用性.结果表明:隧洞顶部的土体位移最大,越靠近隧洞两端越小,受扰动区域的沉降最大值随含石率增加而减小,同时更集中在隧洞顶部;隧洞开挖后,应力变化过程主要分为成拱阶段、坍塌阶段以及稳定阶段,隧洞周围土体的应力呈现环向应力增加、径向应力减小的趋势,在隧洞边墙处出现应力集中现象;通过应力张量十字架来反映土体的应力大小与方向,展示了塌落拱与开挖时步的关系,清楚地显示了拱效应在黏土砾石层中的形态,揭示了拱效应由成型到消失的变化机理,验证了动态压力拱理论在黏土砾石层中的适用性.

基于改进管域法的高水压岩体变形破坏分析

渗流是地下洞室变形破坏常见的危害之一,主要沿结构面发展破坏,对工程造成巨大的影响.基于离散元颗粒流软件PFC中现有的域-管道渗流模型,结合流量守恒的原则,对控制方程进行重新推导,并采用简单试样模型进行了渗流模拟验证,将之应用于某地下洞室渗流破坏的分析研究.研究结果表明:改进后的渗流模型对隧洞变形破坏的模拟直观有效.研究成果可为渗流作用下地下洞室的变形破坏研究提供依据.

基于灰度方差统计的冰水堆积体细观建模与力学特性研究

提出一种基于数字图像处理技术生成颗粒流模型模拟冰水堆积体力学特性的新方法。该方法以基于比特平面分解的图像消噪技术对数字灰度图像进行预处理,采用最大类间方差算法求解自适应阈值实现图像二值化分割,通过最近像素插值算法建立反映冰水堆积体细观结构的隔层错位模型。将该方法应用于云南古水水电站坝前冰水堆积体工程,通过双轴压缩试验模拟表明:该方法能克服基于像素直接对应建立模型时发生轴向压缩的缺点;由土石混合而成的冰水堆积体在双轴压缩下的应力–应变关系呈硬化特性,岩块的存在增加了弹性模量和峰值强度;土体黏结强度提高对峰值强度有影响,但对初始弹性模量影响不明显;低应力条件下,堆积体近似满足莫尔–库仑强度准则,且与剔除块石影响的"土体"相比,内摩擦角提高了0°～9°,黏结力提高了300 kPa。该方法可为现场冰水堆积体的参数确定提供理论依据。

二维波穿过非线性节理面的透射性能研究

二维波穿过非线性节理面是一个复杂的问题,量纲一的刚度、射线角、径向距离、节理参数、入射波频率等都是影响节理后透射率的重要因素。采用非线性节理本构研究单条垂直节理下二维波的透射性能,结果发现:二维波穿越垂直节理面的透射率,不仅与节理面法向刚度与切向刚度有关,还直接受节理面黏聚力和内摩擦角的控制;节理面黏聚力和内摩擦角的数值反映节理面的闭合程度,从而使透射率呈现不同的变化规律。内摩擦角不变,黏聚力提高可以提高透射率;黏聚力不变,节理面内摩擦角引起透射率变化有两种形式:低黏聚力下内摩擦角的升高可使透射率增大;高黏聚力下透射率反而从一较高水平下降到较低水平。最后,根据单节理作用下透射率的研究成果对多条节理分布下的透射性能进行对比研究,对复杂节理分布下的动力响应计算进行尝试。

节理面非线性变形对SV波透反射性能影响

平面SV波穿越节理面是一个复杂的问题,节理面刚度、入射角、法向非线性位移、切向非线性位移、入射波频率等都是影响节理透反射性能的重要因素。采用射线理论推导SV波穿越线性变形节理的透反射解析解,利用Lemaitre等效应变假设原理,分别采用Goodman和Duncan模型描述节理面非线性变形,考察节理面透反射性能受法向与切向非线性位移的影响。研究结果发现:SV波垂直入射节理面,只产生反射SV波和透射SV波,由于节理面刚度参数的影响,刚度越大则反射系数降低、透射系数增加,非线性位移越大其变化随刚度变化越快;节理面呈现出低通滤波器功能,频率越高越容易被反射,越低则越容易透射;法向与切向位移对不同波场的影响程度不同,正是非线性位移的大小决定节理面法向与切向的有效刚度,最终决定弹性波在节理面上的透反射性能。

基于复数傅里叶分析的岩土颗粒细观特征识别与随机重构方法

岩土细观特征的识别与分析是岩土力学研究的重要内容。基于傅里叶变换原理,将任意岩土颗粒的二维轮廓变换为傅里叶描述符与相位进行分析,建立了基于复数傅里叶分析的细观特征表征与重构方法。通过两组不同颗粒的傅里叶细观特征统计,研究了不同阶傅里叶描述符与细观特征参量的对应关系。结果表明:-12~0及16~20阶对应的傅里叶描述符决定颗粒的形状;-23^-11及1~15阶对应的傅里叶描述符与颗粒粗糙度密切联系;傅里叶描述符曲线峰值与颗粒的粒径显著线性相关;高阶傅里叶系数与阶数近似呈对数线性关系,低阶系数则由不同颗粒形状决定。采用建立的傅里叶描述符对应关系进行颗粒相似重构研究,发现重构颗粒的外轮廓及傅里叶统计参量与实际颗粒十分接近,且反映颗粒的粗糙度、纹理等细部特征,其成果可用于大量岩土颗粒与力学特性的相关性研究。

动压巷道区段煤柱合理留设宽度研究

为了确定受工作面采动压影响下的区段煤柱尺寸,提高煤炭资源采出率,以付村煤矿3上403,405巷道为背景,采用理论计算和数值模拟的方法,建立了考虑中间主应力影响的三维离散元模型,探讨了支护参数优化后煤柱宽度分别为3、5、7、9、11m下的巷道围岩变形和支承压力分布规律。研究结果表明:理论计算得到煤柱留设尺寸应为3.25~3.85m;数值分析显示沿空侧煤帮变形量随煤柱的宽度的增加先减小后增大再减小,在煤柱宽度为5m时达到最小值;煤柱内的支承压力呈单峰分布且峰值大小且随煤柱宽度的增大而增大,煤柱宽度小于5m时峰值应力小于原岩应力;动压巷道可以留设在距离煤帮0~6m的应力降低区内,区段保护煤柱最优宽度为3.0~5.0m。经现场实践,在高预应力让压锚杆支护体系下留设3m煤柱,取得了良好的围岩控制效果,为类似情况下合理煤柱宽度的选择提供参考。

基于元胞自动机模型的堆积体动力学参数研究

堆积体是一种典型的二元介质,由软弱的基质土与坚硬的碎、块石构成。利用元胞自动机模型对随机离散单元进行演化,模拟堆积体的分布结构、"聚团"特征;利用弹性应力波传播原理计算波的等效速度,研究了堆积体内介质分布、软硬程度对动力学参数的影响规律。研究发现,堆积体内的波速由基质与充填物共同决定,基质材料越弱,地震波传播速度越慢,二者呈对数变化;堆积体内碎石含量越高,则波速越快,波速与充填碎石块含量呈对数关系增长,而振幅系数与碎石含量关系不大,主要取决于碎块石的分布结构;由于堆积体介质密度不均,导致堆积体内波传播速度与入射波频率密切相关,高频波速度快、低频波速度慢,横波速度与入射波频率成指数递增关系。研究表明,采用基于元胞自动机模型研究动变形参数,可以更好地反映出堆积体的波动力学性能,是一种获得复杂介质动参数的重要方法,可以弥补室内及现场试验的不足。

爆破地震破坏判据的探讨

对比了旧、新爆破安全规程并分析了其中的缺陷,对爆破破坏判据进行了讨论。根据其缺陷提出通过小波分析和傅立叶分析把地震波信号划分为几个频带,采用加权速度结合频率破坏判据,分频考虑地震波的频率影响。对工程应用有较大的实用价值。

动力时程响应的加卸载响应比描述研究

借鉴地震预报中的加卸载响应比理论,将作用在动力模型上的地震力视为加卸载,采用动力有限单元法和加卸载响应比理论开展全时程动力分析,建立了地震加卸载响应模型,采用相对位移(速度、加速度)作为响应参数,对地震过程加卸载响应比理论在动力响应预报方面进行了有益探索。结果表明,由于相对响应参数比绝对响应参数更能体现动力模型的变形趋势,反映动力荷载的作用机制;以加卸载响应比判断地震稳定性,是可以反映动力响应程度大小的一种有效方法。