SAFETY MARGIN CRITERION OF NONLINEAR UNBALANCE ELASTIC AXLE SYSTEM

The safety margin criterion of nonlinear dynamic question of an elastic rotor system are given. A series of observing spaces were separated from integral space by resolving and polymerizing method. The stable_state trajectory of high dimensional nonlinear dynamic systems was got within integral space.According to international standard of rotor system vibration, energy limits of safety criterion were determined. The safety margin was calculated within a series of observing spaces by comparative positive_area criterion (CPAC) method. A quantitative example calculating safety margin for unbalance elastic rotor system was given by CPAC. The safety margin criterion proposed includes the calculation of current stability margin in engineering. This criterion is an effective method to solve quantitative calculation question of safety margin and stability margin for nonlinear dynamic systems.

Upper bound analysis of slope stability with nonlinear failure criterion based on strength reduction technique

Based on the upper bound limit analysis theorem and the shear strength reduction technique, the equation for expressing critical limit-equilibrium state was employed to define the safety factor of a given slope and its corresponding critical failure mechanism by means of the kinematical approach of limit analysis theory. The nonlinear shear strength parameters were treated as variable parameters and a kinematically admissible failure mechanism was considered for calculation schemes. The iterative optimization method was adopted to obtain the safety factors. Case study and comparative analysis show that solutions presented here agree with available predictions when nonlinear criterion reduces to linear criterion, and the validity of present method could be illuminated. From the numerical results, it can also be seen that nonlinear parameter rn, slope foot gradient ,β, height of slope H, slope top gradient a and soil bulk density γ have significant effects on the safety factor of the slope.

Limit equilibrium analysis for rock slope stability using basic Hoek–Brown strength criterion

Hoek–Brown(HB)strength criterion can reflect rock’s inherent failure nature,so it is more suitable for analyzing the stability of rock slopes.However,the traditional limit equilibrium methods are at present only suitable for analyzing the rock slope stability using the linear equivalent Mohr–Coulomb(EMC)strength parameters instead of the nonlinear HB strength criterion.Therefore,a new method derived to analyze directly the rock slope stability using the nonlinear HB strength criterion for arbitrary curve slip surface was described in the limit equilibrium framework.The current method was established based on certain assumptions concerning the stresses on the slip surface through amending the initial normal stressσ0 obtained without considering the effect of inter-slice forces,and it can satisfy all static equilibrium conditions of the sliding body,so the current method can obtain the reasonable and strict factor of safety(FOS)solutions.Compared with the results of other methods in some examples,the feasibility of the current method was verified.Meanwhile,the parametric analysis shows that the slope angleβhas an important influence on the difference of the results obtained using the nonlinear HB strength criterion and its linear EMC strength parameters.Forβ≤45°,both of the results are similar,showing the traditional limit equilibrium methods using the linear EMC strength parameters and the current method are all suitable to analyze rock slope stability,but forβ>60°,the differences of both the results are obvious,showing the actual slope stability state can not be reflected in the traditional limit equilibrium methods,and then the current method should be used.

Energy analysis of stability on shallow tunnels based on non-associated flow rule and non-linear failure criterion

On the basis of upper bound theorem, non-associated flow rule and non-linear failure criterion were considered together.The modified shear strength parameters of materials were obtained with the help of the tangent method. Employing the virtual power principle and strength reduction technique, the effects of dilatancy of materials, non-linear failure criterion, pore water pressure,surface loads and buried depth, on the stability of shallow tunnel were studied. In order to validate the effectiveness of the proposed approach, the solutions in the present work agree well with the existing results when the non-associated flow rule is reduced to the associated flow rule and the non-linear failure criterion is degenerated to the linear failure criterion. Compared with dilatancy of materials, the non-linear failure criterion exerts greater impact on the stability of shallow tunnels. The safety factor of shallow tunnels decreases and the failure surface expands outward when the dilatancy coefficient decreases. While the increase of nonlinear coefficient, the pore water pressure coefficient, the surface load and the buried depth results in the small safety factor. Therefore, the dilatancy as well as non-linear failure criterion should be taken into account in the design of shallow tunnel supporting structure. The supporting structure must be reinforced promptly to prevent potential mud from gushing or collapse accident in the areas with abundant pore water, large surface load or buried depth.

Limit equilibrium method(LEM) of slope stability and calculation of comprehensive factor of safety with double strength-reduction technique

When the slope is in critical limit equilibrium(LE) state, the strength parameters have different contribution to each other on maintaining slope stability. That is to say that the strength parameters are not simultaneously reduced. Hence, the LE stress method is established to analyze the slope stability by employing the double strengthreduction(DSR) technique in this work. For calculation model of slope stability under the DSR technique, the general nonlinear Mohr–Coulomb(M–C) criterion is used to describe the shear failure of slope. Meanwhile, the average and polar diameter methods via the DSR technique are both adopted to calculate the comprehensive factor of safety(FOS) of slope. To extend the application of the polar diameter method, the original method is improved in the proposed method. After comparison and analysis on some slope examples, the proposed method's feasibility is verified. Thereafter, the stability charts of slope suitable for engineering application are drawn. Moreover, the studies show that:(1) the average method yields similar results as that of the polardiameter method;(2) compared with the traditional uniform strength-reduction(USR) technique, the slope stability obtained using the DSR techniquetends to be more unsafe; and(3) for a slope in the critical LE state, the strength parameter φ, i.e., internal friction angle, has greater contribution on the slope stability than the strength parameters c, i.e., cohesion.

Large, moderate, small earthquakes and seismic fortification criterion

This paper discusses the relation between two-step seismic design and the standard of probability of exceedance, and the relation of three-levels seismic ground motion parameters given by probability method and comprehensive probability method. The relative size relations of the ground motions with 2%, 10%, 63% probability of exceedance in 50 years, namely large earthquake, moderate earthquake, and small earthquake, are discussed through a practical example of seismic hazard analysis. The methods to determine seismic fortification criterion are discussed.

基于多轴强度准则的混凝土面板应力安全评价方法研究

混凝土面板作为面板堆石坝的关键防渗结构,其应力变形安全对保障工程安全运行至关重要。目前工程中普遍采用混凝土单轴标准强度评价面板应力安全,该方法忽略了面板应力状态对其强度的影响,会对面板破坏范围作出不合理的判断,因此,提出了基于多轴强度准则的混凝土面板应力安全评价方法,该方法通过确定混凝土强度调整系数及多轴强度应力水平指标评价面板应力安全。联合基于位移多点约束法的面板精细化计算方法及改进黏弹性方法全面考虑动位移和永久变形对面板动应力的影响,细致模拟地震过程中面板破坏发展过程。以强震区狭窄河谷上240 m级特高面板坝为例,对比分析了文中提出的多轴强度方法与当前单轴强度方法判断面板破坏范围的差异,结果表明:正常蓄水期,坝肩两侧面板位于“抗压强度削减区”、河床面板均位于“抗压强度增强区”,其中河床底部面板强度增加尤为明显,两种方法判断的面板受拉破坏区基本一致,但受压破坏区存在较大差异;遭遇地震情况下,多轴强度方法判断的面板受拉破坏区略小,而两种方法受压破坏区的位置和大小均存在显著差异。鉴于单轴强度方法无法考虑面板应力分布对其强度的影响,建议采用多轴强度准则指导特高面板坝混凝土面板设计和施工。

考虑水力效应的裂缝边坡稳定性非线性能耗分析

现有考虑水力效应的裂缝边坡稳定性分析大多基于线性破坏准则,而岩土体破坏往往呈现非线性特征,因此开展水力效应影响下的裂缝边坡稳定性非线性极限上限分析具有重要意义。基于极限分析上限定理及强度折减技术,结合“外切线法”非线性破坏准则,构建坡顶含竖直裂缝的边坡对数螺旋线破坏模式,根据虚功原理推导出裂缝边坡安全系数解析式,通过MATLAB优化计算,结合边坡工程实例探讨了典型因素对裂缝边坡稳定性、临界裂缝及滑动面位置的影响规律。研究结果表明:随着地下水位h的持续上升,边坡安全系数不断降低,临界裂缝深度逐渐增大且临界裂缝位置逐渐向坡顶缘偏移;非线性系数m明显影响边坡的稳定性,边坡安全系数随着非线性系数的增大显著减小,采用线性破坏准则会高估地下水位变化对边坡稳定性的影响;随着非线性系数的增大,临界裂缝深度随之增大,临界裂缝位置距离坡顶缘越来越远,滑坡体体积逐渐增大;裂缝与坡顶缘距离l m随着非线性系数m的增大而增大(当m增大0.2时,l m增大约1 m),且随着裂缝与坡顶缘距离的增大,边坡安全系数无明显变化,临界裂缝深度先逐渐减小后趋于稳定。

乳胶基质危险性分级技术发展

为规范乳胶基质在全球范围内的安全管理,联合国危险货物运输专家委员会建立了统一的乳胶基质危险性分级管理方法--《试验和标准手册》试验系列8。目前,我国关于乳胶基质安全管理的研究较少,远落后于国际水平。因此,对比分析了乳胶基质危险性分级程序的研究和发展过程,探索了相应试验方法的研究过程。发现采取最新版的乳胶基质危险性分级程序可避免试验的偶然性,通风管试验的改进和最小自持燃烧压力试验的增加可在保证安全的前提下减少乳胶基质生产和管理的经济成本。讨论了对乳胶基质危险性的基本认识以及展望了分级技术发展前景,可为国内乳胶基质危险性分级管理提供理论支撑。

同忻煤矿8105工作面上覆坚硬岩层失稳破断研究

为研究坚硬岩层破断对回采工作面的影响,以同忻煤矿8105工作面坚硬顶板为工程背景,利用破裂线理论,得到了极限荷载破坏公式;为探究坚硬岩层失稳破断对工作面的影响,借助薄板理论,建立坚硬岩层结构模型,结合坚硬岩层失稳模式,给出了坚硬岩层失稳判据,分别为坚硬岩层初次失稳尺度及周期失稳计算公式;根据8105工作面综合柱状及物理力学参数,通过坚硬岩层协同变形载荷计算公式、坚硬岩层初次失稳计算公式等,确定低、中、高坚硬岩层层位及坚硬岩层破断尺度。结果显示:低、中、高位坚硬岩层初次失稳尺度分别为35.4 m、74.9 m、122.1 m,周期失稳尺度分别为13.5 m、63 m、109.9 m。通过理论计算坚硬岩层破断尺度发现:高位坚硬岩层失稳尺度最大,而低位和中位坚硬岩层失稳尺度接近一致。因此,高位坚硬岩层破断对工作面开采影响最大;8105工作面上覆岩层失稳破断对微震事件具有一定的影响。通过微震数据统计可知:坚硬岩层随着工作面的开采逐步发生失稳破断,不同坚硬岩层之间易发生耦合作用,形成复合矿压。坚硬岩层失稳判据的理论计算与实际硬岩破断尺度对比发现,高位坚硬岩层的预测准确率最高。

SSA-MLP模型在岩质边坡稳定性预测中的应用

岩质边坡的力学参数量化及稳定性分析对岩质边坡灾害的防治具有重要意义。Hoek-Brown(H B)准则是一种用于确定岩体力学参数的经典方法,能反映出边坡岩体变形和位移的非线性破坏特征。在此基础上,首先,提出一种麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)改进多层感知器(Multi-Layer Perceptron,MLP)的神经网络模型,并用于边坡稳定性预测、指标敏感性分析及参数反演。其次,将收集的1085组岩质边坡的几何参数和H B准则参数等作为输入变量,极限平衡理论Bishop法求解的安全系数作为输出变量,对SSA MLP模型进行训练学习和性能评估。最后,将该模型运用于25个边坡实例,验证模型的有效性。结果显示,该模型收敛速度快、精度高,为边坡稳定性分析和参数量化提供了一种新思路。

基于时频分析的机场跑道平整度评价方法

机场跑道平整度是道面评价的重要内容,目前常用的平整度评价方法无法确定不平整在跑道上的分布情况,也无法针对不同机型飞机的滑跑安全性进行分类评价。基于此,提出了一种基于时频分析的跑道平整度评价方法。基于飞机三自由度动力模型,采用参数化分析方法对飞机以不同速度在具有不同振幅、不同波长的不平整跑道上滑跑时飞机重心处竖向加速度均方根分布特征进行统计分析;反算飞机重心处竖向加速度均方根为0.25g和0.4g时对应的跑道不平整信号的振幅、波长与滑跑速度,建立基于跑道不平整信号频域信息与飞机滑跑速度的飞机滑跑安全振动判断曲面;采用S变换方法对机场跑道高程进行时频分析,得到跑道不同位置处不平整信号的波长与振幅分布曲面;分析飞机在跑道上不同位置的滑跑速度,以坐标位置代替滑跑速度,形成基于跑道不平整信号频域信息与跑道位置的飞机滑跑安全振动判断曲面;与S变换获得的曲面叠加,得到基于时频分析的跑道平整度评价曲面。与现有评价方法相比,所提方法可以对跑道具体位置的平整度情况进行评价,并能够根据不同的机型对跑道平整度分级评价。

中深层煤炭地下气化的气化腔安全宽度计算方法

煤炭地下气化是目前温度最高(超过1200℃)的化石能源非常规开发方式,中深层(本文指埋深800~1500 m)煤炭地下气化在提高气化压力、降低地质安全风险方面优势明显,科学预测气化腔安全宽度对保障气化稳定运行十分重要,由于目前基于可控注入点后退(CRIP)工艺的气化腔安全宽度计算方法尚未建立,为保证现场试验顺利实施,需要开展针对性研究。气化腔顶板“裸露”在气化腔后会受到高温影响,通过数值模拟方法研究了压应力约束条件下岩石内部热应力产生位置以及颗粒、基质热膨胀系数差异对热应力大小的影响规律,结合高温处理后的岩石电镜扫描结果,查明了高温下岩石热损伤机理。根据CRIP气化工艺造腔特点,建立了考虑高温影响的气化腔顶板薄板模型,结合“关键层”理论提出了气化腔安全宽度计算方法。研究表明:岩石热损伤是岩石物理化学反应与热应力互相促进、共同作用的结果,高温下岩石发生不规则变形,岩石热损伤引起的微观结构变化是导致岩石力学性质、物理性质变化的根本原因。岩石的最大拉张热应力出现在颗粒界面或热膨胀系数较小的颗粒中,颗粒与基质热膨胀系数比值在[0.01~1)时,最大拉张热应力随颗粒热膨胀系数减小而快速增加。泥岩加热到200℃时开始出现微裂隙;加热到400℃时裂隙发育更加明显,主要是沿颗粒边缘破裂;加热到600~800℃时,裂隙数量增多、尺寸变大;加热到1000℃时,除出现较大裂隙外,还产生了大量孔隙;1200℃时裂隙连通性明显增加,气孔发育较大。由于高温的影响,薄板模型的步距准数不再是定值,需要根据气化腔顶板热破坏范围与顶板硬岩层的空间位置关系确定具体数值。气化腔安全宽度受温度影响,在研究算例中,砂岩顶板在35、1000℃时安全宽度计算结果分别为34.3 m和14.1 m,相差达58.9%,泥岩顶板在35、1000℃时安全宽度计算结果分别为16.7 m和15.9 m,相差4.8%。最后从降低顶板垮落风险、有利于气化控制角度,提出了煤层纵向靶区位置的确定方法,当煤层厚度超过气化腔安全宽度一半时,建议将水平井纵向靶区设计在距离煤顶不超过气化腔安全宽度一半的位置。

基于不同失稳判据的黄土边坡稳定性数值计算分析

安全系数是边坡稳定性评价的一项重要指标,依据不同失稳判据计算得到的安全系数存在差异,会直接影响边坡稳定性状态的评价。以万花山治沟造地工程台阶型开挖边坡为对象,运用FLAC3D有限差分软件,采用强度折减法,选择计算不收敛判据、塑性区贯通判据、位移突变判据3种失稳判据,对黄土边坡安全系数进行数值计算。对比分析3种判据所得的分析结果及优缺点表明:3种失稳判据得出的安全系数大小排序为位移突变判据>计算不收敛判据>塑性区贯通判据。计算不收敛判据使用简便,求解快速,但不能展示折减过程坡体塑性区的变化情况;塑性区贯通判据不宜单独作为边坡失稳判据,需要结合不平衡力综合评估,但可以展示坡体剪切和拉伸塑性区;位移突变判据求解过程复杂,但能真实地反映坡体位移变化导致的临界破坏状态。建议类似工程优先选用求解过程快速的计算不收敛判据,然后结合塑性区贯通情况与坡体位移变化状态对边坡稳定性进行综合评价。

预留核心土法爆破开挖下隧道初期支护动力响应特性

初期支护是隧道施工阶段的主要承力结构,爆破施工动力扰动下初期支护的响应规律及安全控制对确保隧道安全快速施工有着重要意义。为研究预留核心土法爆破开挖影响下软岩隧道初期支护的动力响应特征及其安全控制,以林场隧道爆破施工为工程背景,依据隧道初期支护现场爆破振动监测结果,利用ANSYS/LSDYNA建立三维有限元数值计算模型,结合预留核心土法爆破作业特点,研究了两个不同距离爆源同时作用下隧道初期支护的应力分布特征,利用萨道夫斯基经验公式获得了预留核心土法爆破振动传播衰减规律,提出了以应力为控制标准的两侧下台阶同时起爆条件下隧道初期支护的爆破振动速度安全判据。结果表明:不同于全断面法和台阶法爆破,预留核心土法两侧下台阶同时起爆时,最大振动速度出现于隧道初期支护拱脚处,而非隧道底板或拱顶;仰拱未回填区域的存在显著影响爆破应力波传播路径,相较于右侧拱脚,隧道初期支护左侧拱脚处的振动速度更大,且随距离增加而衰减的更明显;初期支护结构稳定性受拉应力控制,最大拉应力及剪应力出现于隧道左侧拱脚处,最大拉应力为7.544 MPa,最大的剪应力为2.78 MPa,均超过规范允许值;根据建立的应力-振速线性关系,提出基于极限强度的隧道初期支护爆破振动安全判据;在林场隧道爆破条件下初期支护的爆破振速安全阈值为10 cm/s。研究成果为隧道爆破施工设计以及安全控制提供理论研究基础。

基于函数型数据分析算法的电阻性本质安全电路电弧放电模型

区别于电感性和电容性本质安全电路,电阻性本质安全电路的电弧放电波形因具有三种类型一直无法被准确描述,且电阻性电路本质安全判据的不完善描述会导致实际运行条件下爆炸事故的多发性。对此,该文首先考虑电阻性本质安全电路的放电过程及波形特征,基于函数型数据分析回归算法,建立了高维、参数强相关、适用范围广的电阻性电路电弧放电数学模型,并基于模型建立了相应的本质安全能量判据;然后采用该模型模拟电阻性电路放电过程并提出了一种电弧放电波形分类方法,发现在特定电路参数条件下,当电路正常工作电流I≤0.15 A或I≥0.6 A时,电弧放电基本呈现典型放电形式;最后搭建火花放电试验平台,验证了所建电弧模型的可行性与预测效果的准确性。

冻土强度准则在冻土边坡稳定性计算中的应用

冻土是由冰胶结体、土颗粒、气体、未冻水组成的四相胶结体,其强度受温度影响较大,以至于冻土的强度准则比普通土的强度准则更为复杂。冻土强度准则在实际工程中有很广泛的应用,比如,可用于冻土边坡稳定性计算。由于冻土的复杂性,将未冻土的强度准则直接用于冻土边坡工程稳定性计算分析是不合理的。为研究冻土强度准则在冻土边坡稳定性判断中的应用,本研究首先在已有的冻土强度准则中选取Liao和Lai提出的代表性冻土强度准则,利用瑞典条分法和该强度准则推导了冻土土坡安全系数的解。其次,基于此强度准则推导的冻土土坡安全系数的解进行冻土边坡稳定性计算分析,并将计算结果与已有的冻土边坡分析数据作对比,验证该强度准则的适用性。计算结果表明:选用的强度准则计算出的安全系数与原冻土边坡安全系数比较接近,误差较小,该强度准则在冻土边坡稳定性计算方面有较高的精确性和适用性。最后,鉴于实际工程中非稳定状态冻土边坡较多,基于工程实用性,进一步总结给出了冻土边坡失稳防治措施。本研究可为寒冷地区冻土土质边坡的设计、建设、维护提供理论指导与参考。

基于物理信息神经网络的混凝土破坏准则深度学习研究

混凝土破坏准则是工程结构设计和安全性评估的重要依据。结合一种新的深度学习框架--基于物理信息的深度学习神经网络,将混凝土破坏准则函数方程作为物理约束条件用来构造损失函数对应表征项,增加输入输出之间的物理信息驱动,更全面地反映各种因素之间的内在联系。利用大量试验数据,对深度学习模型进行训练,建立更为准确、适用性更广、更具泛化能力的混凝土破坏准则模型。结果表明:采用的物理信息深度学习神经网络模型,对混凝土破坏准则表达形式和参数有较好的优化识别能力和泛化能力,为规范修订、工程设计以及有限元数值模拟分析评估等提供参考。

基于修正拟动力法的岩质边坡三维稳定性分析方法及应用

岩质边坡的抗震设计是岩土工程的重要课题,其稳定性直接关系到工程安全和社会经济效益。由于岩石的非线性强度特性,岩质边坡的破坏形式和机理与土质边坡有很大的不同,需要采用不同的分析方法和设计原则。此外,地震作用是导致岩质边坡破坏的主要因素之一,其对岩质边坡的稳定性有着显著的影响。为更好地确定基于Hoek-Brown强度准则下的岩质边坡抗震设计方法,在极限分析法上限定理的框架下,基于离散化技术构建了一种更加符合实际岩石边坡失稳破坏机制的三维对数螺旋破坏预测模型。通过广义切线技术将Hoek-Brown准则的参数转化为容易计算的Mohr-Coulomb准则参数再将其嵌入到预测模型中,提出一种更加准确的岩质边坡地震稳定性分析模型。该模型可以考虑岩石的非线性强度特性,并通过修正拟动力法引入地震加速度和阻尼比参数,提高了地震作用力的预测精度。然后,将重力增加法和多元宇宙优化算法相结合,获得一种边坡临界安全系数的确定方法,实现了岩质边坡在地震作用下的三维稳定性评估。与现有研究成果对比和工程案例应用表明,此方法可以较为准确地评估岩质边坡的地震稳定性,同时也能够反映岩质边坡的失稳破坏形态和范围,在岩质边坡地震稳定性分析中具有较好的有效性和可靠性。研究成果为进一步优化岩石边坡的抗震设计方法提供了新的思路和参考。

船闸口门区布置及其通航安全判别标准

针对应用《船闸总体设计规范》进行船闸引航道口门区及制动段布置时遇到的问题,从船舶通航安全角度阐述了船闸引航道制动段、口门、口门区和连接段的内涵。介绍了国内外现有船闸口门区通航安全判别标准并指出其存在的问题,分析引航道口门区的水流特性及船舶舵效原理,提出一种切实可行的船闸通航安全制动段水流条件判别方法,对船闸整体模型试验及船闸总体布置具有一定借鉴意义。