含大石块泥石流冲击作用下框架结构房屋动力响应研究

基于光滑粒子流体动力学-有限元法(smoothed particle hydrodynamics-finite element method,SPH-FEM)耦合的数值方法,分别从结构破坏形态、冲击力时程、关键点位移和速度、系统能量等方面,研究含大石块泥石流冲击作用下框架结构房屋的动力响应和破坏机理。计算结果表明:SPH-FEM耦合方法能够较好地模拟泥石流冲击爬高、绕流扩散、淤积稳定过程。考虑了三种泥石流强度等级,在低、中强度冲击情况下,框架房屋填充墙受到破坏,房屋结构整体保持稳定;在高强度冲击情况下,可以观察到框架房屋的逐步倒塌过程,框架柱损坏模式体现了剪切破坏或塑性铰链失效机制。对于房屋结构而言,泥石流的冲击破坏能力主要来自龙头的冲击力,龙身冲击力相对于龙头降幅约34.2%,大石块的集中作用是结构柱体局部破坏的主要原因。系统能量主要通过泥石流动能转化为结构内能(17.8%)和摩擦耗能(82.8%)。

曲面双叉戟自锁吸能系统设计及吸能性能研究

自锁吸能系统无需外加约束或内部连接即可抵挡外部冲击而不发生元件飞溅,在吸能防护领域引起了广泛关注.然而,现有吸能系统大多为块体式平面自锁吸能系统,无法对曲面构筑物提供有效防护.为此,本文发展了一种能与曲面构筑物紧密贴合的新型曲面自锁能量吸收系统.吸能系统由曲面双叉戟状薄壁管组装构成,结构简单、易于生产且可灵活拆装.基于有限元仿真,本文进而系统地研究了曲面双叉戟状薄壁管系统和单管的吸能特性.结果表明:当系统受冲击时,管件的齿状结构及齿间管槽可限制相邻管件的位移,使系统在冲击载荷作用下能够实现自锁;管件在冲击过程中始终与曲面构筑物保持贴合;此外,吸能系统仅受冲击侧管件参与变形.因此,曲面自锁系统可对曲面构筑物提供有效的防护,并且可重复利用,具有较高的经济性.

偏转地形约束条件下滑坡-碎屑流运动速度与颗粒分布的试验研究

滑坡-碎屑流在行进中受到侧向地形约束与挤压,运动方向发生偏转,侧蚀、侧向冲击或掩埋原低风险分区内的建筑结构。偏转地形约束条件下滑坡-碎屑流致灾参数分布演化特征及过程,包括运动速度、堆积分布、颗粒分选等的分析与反演是有效防控此类地质灾害的前提与基础。前期滑坡-碎屑流模型试验较少考虑其在受地形偏转作用影响下的运动特征,结果与实际观测不符。本文以典型滑坡碎屑流为原型,改进模型试验装置,采用物理模型试验,探究偏转点前后碎屑流运动速度和颗粒分布变化。研究结果表明:(1)碎屑流的运动速度在偏转点显著下降,并在偏转点后急剧增加并达到峰值,呈现出急加速、波动加速、地形偏转作用导致的速度剧烈下降、运动堆积区的逐渐下降、堆积停滞区的快速下降五个变化阶段。(2)滑坡碎屑流最大堆积厚度位于偏转点之后。(3)碎屑流大、小颗粒在堆积体表层、下层的质量占比分别为50.7%、65.1%,呈现明显的颗粒分选特征。在沿碎屑流运动的纵向和横向方向上,不同粒径的质量占比在偏转点附近与初始状态一致。沿纵向方向上,大颗粒质量占比呈现短距离减小分布,而后随运动距离的增加,质量占比增大,由初始状态的28.3%增大到49.6%;而小颗粒的质量占比则呈现先增加后减小的分布特征,由初始状态的44.0%减小到23.5%;在横向方向上,两侧大颗粒的质量占比大于中部,而小颗粒则相反。研究结果可以为受偏转地形作用的滑坡-碎屑流致灾参数演化和灾害防御提供参考。

岩石力学与工程问题的DDA和NMM模拟研究进展

全面回顾了非连续变形分析(DDA)方法与数值流形方法(NMM)在岩石力学与工程问题模拟领域的研究与应用进展。首先论述了相关理论与算法的研究现状,包括DDA中旋转虚假体积膨胀及能量损耗问题的解决,开裂破坏模拟的子块体单元DDA方法和节点DDA方法,以及颗粒DDA方法的发展等;也包括对NMM开裂破坏模拟能力及双重覆盖系统的研究,无网格NMM及粒子NMM的发展等;其中还涉及单纯形积分、高阶方法、材料本构模型、显式与并行计算的研究等;此外还对接触相关问题的研究进行了专门论述。随后,对DDA与NMM在岩体边坡失稳与落石、地下岩体结构的变形与破坏、应力波传播与岩石爆破、岩体结构地震破坏与失稳及岩体锚固工程领域的代表性研究与应用工作进行了详细论述。在此基础上,凝练和论述了DDA和NMM研究与应用面临的主要问题与挑战,包括计算控制参数、计算效率、多物理场、三维方法、程序的商业化开发等,并给出了相应的对策建议。

地下层状岩体爆破的DDA方法模拟研究

爆破破岩是爆炸应力波和爆生气体压力共同作用的结果,岩体不连续面和地应力是影响地下岩石爆破的重要因素。在非连续变形分析(DDA)方法中引入接触阻尼算法,同时改进爆腔搜索算法,采用递归策略搜索联通裂隙网络,实现节理岩体爆破模拟中爆腔的实时跟踪,进而对爆炸应力波和爆生气体共同作用下地下层状岩体的单孔爆破进行数值模拟,研究节理间距对破岩效果的影响。结果表明:节理对爆炸应力波的衰减作用随着节理间距的增大而明显减弱,相应的爆腔体积增大和爆腔压力衰减减慢;节理间距的增加将减慢爆破能量的衰减,从而导致更多的裂纹数量和更大的破岩程度;当节理间距较小时,爆生气体破岩作用较大,而随着节理间距的增加,爆炸应力波破岩作用愈加明显;节理的存在还将导致爆破径向裂纹沿节理面的偏转并进而继续沿径向扩展或停止扩展;节理间距越大,径向主裂纹发育也越明显。

锚杆拉拔力学作用机制的DDA方法模拟研究

为研究锚杆拉拔实验中锚杆与岩体间的力学作用过程和机制,在非连续变形分析(discontinuous deformation analysis,DDA)方法中实现锚杆-岩体界面耦合作用算法,采用多线性黏结滑移界面模型模拟锚杆的滑移脱黏,并针对锚杆拉拔力作用节点和脱黏节点提出专门算法。通过模拟结果与实验结果的对比,对文献中的三线性和四线性黏结滑移界面模型进行参数修正,并验证所提锚杆-岩体界面耦合作用算法的正确性和适用性。通过基于修正参数的多线性黏结滑移界面模型的锚杆拉拔DDA模拟,研究了锚杆的拉拔力-拉拔位移关系,以及不同拉拔力条件下锚杆-岩体界面切应力和锚杆轴力的分布与变化规律,并探讨了锚杆弹性模量对锚杆拉拔力学响应的影响。锚杆-岩体界面耦合作用算法的实现,也为岩体锚固的DDA模拟分析创造了条件。

贵州水城高速远程滑坡运动过程及动力参数分析

高速远程滑坡的运动速度、厚度和致灾能量在时程、运程上的分布是揭示灾难性滑坡致灾的重要指标。水城滑坡是近年来降雨诱发的典型隐蔽性、突发性高速远程滑坡,利用Massflow模型以上述多个指标参数为研究核心揭示其致灾特征。研究结果表明:滑坡运动的基底摩擦角和孔隙水压力系数分别为20°和0.4;滑坡历时约60 s,最大前缘运动速度为42 m/s,左右两侧前缘滑坡体堆积厚度分布分别呈现“双峰”和“单峰”特征,最大堆积厚度为22 m;左右主滑方向上的最大动能分别为1.75×10^(6) J和8.5×105 J;房屋建筑区用时8 s完全被掩埋,建筑物监测点处最大冲击力估算值分别为3346 kPa和1049 kPa,远大于山区农村房屋建筑所能承受的荷载极值。研究成果为灾难性高速远程滑坡碎屑流的动力学效应分析提供参考,对滑坡灾变风险的定量评估提供了依据。

四川省汉源县中海村滑坡动力学特征数值分析

通过对中海村滑坡灾害现场的调查研究,阐明了滑坡的致灾因素和失稳机制,基于连续介质力学理论数值模型对滑坡进行了动力参数反演分析。研究结果表明:连续降雨和第四系昔格达半成岩的特殊岩性特征是中海村滑坡发生的关键因素,滑坡运动持续时间约70 s,滑坡孔隙水压力系数为0.8,最大堆积厚度为8 m,最大运动速度为16.2 m/s;在整个滑坡运动形态和速度演化过程中,主要堆积区域为1级平台和3级平台,运动速度出现3峰特征,阶梯型地形是出现阶段性速度峰值的主要原因。