场地和断层对埋地管道破坏的影响分析

场地条件和断层活动是埋地管道破坏的主要原因,避免因为场地岩土和断层的影响而造成管道破坏,是城市地下生命线工程建设中急需解决的问题。采用ADINA软件的Parasolid建模方式,通过定义合适的体类型和布尔操作,建立了埋地管道破坏分析的几何模型,实现了土体－断层－管道破坏有限元建模。借助模型参数选择,确定了基岩与岩土性质、管道特性等模型参数;定义了管-土摩擦和约束条件、地震波和断层位移荷载等。依据计算结果,分析了场地条件和断层参数对地下管道地震破坏的影响;结果表明：管道埋藏越深,断层断距越大,管道的变形越大,破坏越严重。给出了管-土摩擦系数和断层与管道交角的最优值,并给出了几点工程建议。     

小坡度海底土层地震液化诱发滑移分析方法

地震可使海底砂质、粉质土层液化并导致上部土层的滑移。基于有效应力有限元动力分析方法和Newmark刚性滑块理论,提出了一种计算海底小坡度（≤5o）土层地震液化引起侧向滑移的简化方法。该方法将波浪荷载简化为海底恒定的上覆压力和初始孔压,忽略了海水粘性对海底土层地震反应的影响,利用改进的Seed孔压模型进行动力分析和液化判别,用Newmark滑块理论计算了土层侧向滑移。通过算例和对比分析,研究了海水深度和土层坡度对侧向滑移的影响,表明该方法的有效性,可为近海工程场地地震地质灾害评价提供参考数据。     

软土隧道横向抗震分析的简化响应位移法

响应位移法能够反映软土隧道在地震荷载作用下的动力反应特性,是一种简便实用的隧道抗震设计简化分析方法。以方形截面隧道为例,采用地层－结构整体动力有限元方法,验证了响应位移法的准确性与合理性;为了简化响应位移法的计算过程,基于平面应变假定,采用弹性理论的复变函数方法推导了土弹簧刚度的解析表达式,并与有限元解进行了对比分析。将土弹簧刚度的解析表达式应用到响应位移法的计算中,同时采用地层剪应力及自由场地震反应位移的简化计算模式,将简化后的响应位移法和整体动力有限元法进行了对比分析,验证了简化方法的可行性。     

改进Koppejan蠕变模型及其应用

将基于固结试验建立的Koppejan蠕变模型应力-应变-时间关系改进为增量形式,并泛化到三维应力空间,建立了改进的Koppejan蠕变模型。基于ABAQUS软件对改进模型进行二次开发,采用上海软黏土的长期固结试验结果对模型进行验证,结果表明,Koppejan模型能较好地描述上海软黏土的蠕变特性,且改进Koppejan模型的计算精度比经典Koppejan模型高,两种模型应用于淤泥质粉质黏土的计算效果均比粉质黏土好。将改进Koppejan蠕变本构模型应用于某高速铁路桥梁桩基长期变形的三维有限元分析,与现场实测沉降的对比表明,改进Koppejan模型能较好地应用于实际工程的长期变形计算,且计算效果较好。     

云南香格里拉、德钦—四川得荣交界5.9级地震加速度记录的时频分析

2013年8月31日四川省甘孜藏族自治州得荣县、云南省迪庆藏族自治州德钦县、香格里拉县交界地区发生的Ms5.9级地震,发震构造为德钦—中甸—大具断裂。采用基于聚类经验模态分解(EEMD)的HHT计算方法,对通过对震区附近架设的2个流动强震观测台站获取了的地震加速度记录进行时频分析,得到了不同台站加速度记录分量的边际谱、傅里叶谱及瞬时能量谱,量化提取了平均周期、中心频率和最大振幅等时频特性。研究结果表明:经过EEMD分解及谱分析所得到的FFT谱与Hilbert边际谱相比,随着频率的增加会放大其幅值;并且随着震中距的增加,最大地震动峰值加速度迅速衰减,加速度记录主频成分则随之增加。最后从四川境内近年来不同断层的错动类型与强震加速度记录的时频特性及Hilbert瞬时能量谱所反映的信号能量释放特点方面存在的差异,进行了分析研究,结果表明断层的错动类型对边际谱与傅里叶谱之间的关系影响不大,无论是走滑断层还是倾滑断层错动,Hilbert边际谱在低频处的地震动幅值均大于傅里叶谱的幅值,但断层的错动类型对能量随时间的释放过程影响较大。     

可降解的地表水污染物随机游走改进模式

针对随机游走水质模型仅考虑污染物对流输移、扩散效应而忽略污染物降解作用的缺陷,基于可降解污染物的一级反应动力学假设,对现有的随机游走水质模式进行了改进,建立了考虑自净作用的二维随机游走水质模型.作为模型检验,构造典型案例,将改进的随机游走模型计算结果与二维对流分散方程的解析解进行了对比分析,模拟结果表明改进的随机游走水质模式与解析解具有一致性.改进的随机游走模型具有既可考虑水污染物的降解特性,又能够形象直观地描述污染物迁移特征的优点.     

非均匀应力场下的铲状正断层带位移场和应力场特征

本文利用新的有限元方法研究了铲状正断层带在非均匀应力场下错动引起的位移场和应力场。研究发现：① 铲状正断层错动引起的断层面上的最大错距不是发生在地表,而是发生地表下面断层的中部;② 地表面最大水平位移和垂直位移都不是发生在地表断层上,而是发生在偏离断层一定距离的地方;③ 铲状正断层错动会在地表附近产生两个破裂区,一个在地表断层附近,一个在远离断层的上盘地表附近,这两个区与野外观测到的次生正断层区一致;④ 断层错动的应力降在断层内不是均匀的,最大值也是位于断层中部。     

基于Newmark模型的概率地震滑坡危险性模型参数优化与应用: 以鲁甸地震区为例

应用概率地震危险性评价模型进行地震滑坡危险性区划,是解决潜在地震诱发滑坡危险性评价中震源不确定性与诱发滑坡时空不确定性的有效方法.通过理论分析,结合鲁甸地震区的实际情况,对基于力学原理的Newmark滑块位移模型与概率地震滑坡危险性分析方法中的参数的不确定性问题进行了分析,将斜坡岩土体地震作用下的强度衰减效应、地震加速度地形放大效应、断层破碎带效应融合到了斜坡累积位移计算模型中,进行了模型计算参数的优化.改进后的分析模型,更好地反映了高陡斜坡地形与断层破碎带对地震滑坡灾害发育的控制作用,在鲁甸地震区域滑坡应用中,优化模型中的滑坡失稳极高风险区与实际地震滑坡分布表现出了较好的一致性,在超越概率2%的滑坡失稳概率分布中,鲁甸地区包谷垴—小河断裂、鲁甸—昭通断裂带及牛栏江河谷地带地震滑坡高—极高风险区分布面积增幅十分显著.因此,在Newmark滑块位移模型中考虑地震动参数与岩土参数动态响应规律与变量间的定量关系,对于提高区域斜坡稳定性分析的可靠性具有重要意义.      

基于间接边界元法的近断层沉积谷地地震动模拟

将间接边界元方法拓展到近断层复杂场地地震动模拟求解,通过建立有限断层二维运动学模型,量化分析了走滑型断层逐次破裂错动下近场沉积谷地地震动放大效应。首先,将断层上、下盘以及沉积谷地分为不同的计算域;其次,在频域内通过利用不同交界面的应力、位移边界条件来建立边界积分方程,离散求解得到虚拟荷载密度,进而得到频域内场地的地震反应,时域结果由傅里叶变换得到;然后,通过与解析解对比验证了该方法的准确性;最后,分析了近断层沉积谷地地震动放大规律;研究了断层上界埋深、断层倾角、沉积谷地断层距以及断层单元的破裂速度等参数变化对场地地震反应的影响。结果表明:沉积谷地对近断层地震动幅值具有明显的放大效应,所分析模型加速度反应谱峰值可放大4.64倍;在沉积谷地内部,地震动持时明显延长,同时会出现幅值更大的长周期速度大脉冲;近断层地震动震害具有典型的集中效应,断层距增大10 km,半空间地表位移衰减大于50%。为近断层复杂场地地震动模拟提供了一种新的有效方法,对近断层复杂场地地震区划和工程结构抗震设计具有重要意义。     

近断层速度脉冲地震动引起的边坡永久位移预测模型

基于小波分析方法,从NGA数据库的3 551条地震记录中选取189条速度脉冲地震动,地震动均转换成发生最强脉冲的方向。基于Newmark方法,分析了近断层速度脉冲地震动作用引起的边坡永久位移值。结果表明：近断层速度脉冲地震动对边坡产生特殊的破坏作用,表现在滑动位移值大、滑动体破坏力强等方面;边坡永久位移值与速度脉冲地震动的峰值速度具有高度相关性,位移值较大时尤为明显。建立了基于单变量形式的峰值速度及双变量形式的峰值速度、峰值加速度两种边坡永久位移预测模型,模型简单实用,与回归数据具有很好的相关性,前者更适用于预测对实际工程影响较大的永久位移值,且离散性较小。提出的预测模型为考虑近断层地震动速度脉冲特性影响的边坡永久位移值的概率地震灾害分析提供了基础。     

锚索桩设计计算的几个力学问题及有关概念探讨

分析探讨了锚索桩设计计算的几个力学问题及有关概念。传统上对于桩身嵌入段的计算,须根据桩身与桩周岩土的相对刚度划分为刚性桩和弹性桩两种不同的计算模型,并各自对应不同的算法及计算公式,通过对两种模型计算式的数学极限分析表明,刚性桩模型算式仅为弹性桩计算法中将嵌入段的桩身刚度取很大值下的特例,两种模型算法在力学本质上是统一的。由锚索桩嵌入段分别按弹、刚性桩模型算式的位移、转角的对比分析可知,基于弹性桩模型计算出的锚索受力大于按刚性桩模型,以弹性桩模型进行锚索设计偏于安全,而嵌入段的换算长度取1.3（“m法”）或0.8（“常数法”）,从工程设计角度方可作为刚/弹性桩模型的划分判据,此时两种模型的最大位移或转角差别才小于5 %。桩上锚索倾角的力学效应除矢量分解作用影响水平锚拉力大小外,更重要的是将影响锚拉点处的水平约束刚度,进而改变锚索桩超静定结构的受力分担,因此锚索最优倾角的选取可使较好地控制桩身位移且降低锚索初拉力得以兼顾。力图令桩身正负弯矩峰值大致相等的所谓“平衡设计原则”实际上具有较强条件性,须依赖于锚索既要初拉力合适又能在正常工作状态下具备足够大的锚拉力。     

新型锚管构架在边坡加固中的应用

针对边坡病害治理工程往往存在工期紧、施工场地受限等特点,研究了一种用于边坡加固的新型结构,即锚管构架。介绍了锚管构架的组成和特点,基于Winkler理论,建立了锚管构架的力学计算模型,并编制了弹性杆系有限元计算程序。将锚管构架应用于西气东输管道沿线某填土边坡的病害治理中,结果表明,按照Winkler理论建立的计算模型较好的反映了锚管构架实际的受力和变形形态,输气管道的安全运营得到了保障。     

长输管道局部腐蚀体积型缺陷逐次评价

局部腐蚀包括缝隙腐蚀、应力腐蚀、腐蚀磨损、氢腐蚀,H2S应力腐蚀和氢腐蚀是长输管道最容易发生的一种局部腐蚀方式。针对长输管道易发生局部腐蚀的特点,参考其他管道评价方法,根据现场管道的安全状况,提出了适用于现场的含局部腐蚀体积型缺陷管道的三步评价法。该方法不需要考虑管道的腐蚀裕量,简化公式,便于现场计算。     

钻孔救援连续缆管储放设备研制

双钻头仿生自平衡连续钻进技术具有无需钻机、钻进速度快和对井壁扰动小等优点,是构建矿山灾害保障救援通道的潜在关键技术之一。该技术中的连续缆管由于内置有电源、信号和排屑等通道,要求在储放过程中不能出现像现有滚筒式绞车储存连续管时存在的互咬、挤压和设置动静导电滑环等情况,故需研制与之匹配的专用连续缆管地面储放设备。依据双钻头自平衡钻进技术的需求和连续管滚筒式绞车储存技术存在的不足,提出了连续缆管套筒式储存和夹持式输送原理,构建了连续缆管套筒式储存和输送模型,并应用有限元分析软件对连续缆管的夹持输送过程进行模拟分析。依据双钻头仿生自平衡钻进系统对连续缆管的性能要求,确定了整机尺寸参数,并对整机的运行参数进行了计算,建立了适用于连续缆管外径为50.8 mm、井眼深度小于1 016.8 m、场地面积小于50 m2钻井工况的钻孔救援连续缆管储放设备三维模型。最后,研发了与本设备匹配的电控系统,并对加工组装好的整机进行了连续缆管夹持输送、储放设备运行、连续缆管储放等机电一体化联调与试验。结果表明：连续缆管储放设备运行平稳,在连续缆管存储和输送过程中,无互咬和锁死现象,没有动静导电滑环,能够满足双钻头仿...     

滑坡作用下X80腐蚀管道的极限宽度分析

针对X80腐蚀管道横穿滑坡时所涉及的安全预警问题,提出将极限宽度作为管道安全状态的判别因子,根据具体滑坡工况建立有限元模型,分析管道不同腐蚀尺寸和空间位置对腐蚀管道的力学行为与极限宽度的影响。结果表明:极限宽度可用于管道安全状态的评判;腐蚀的宽度和深度与管道极限宽度呈负相关,且对于腐蚀深度表现出高敏感性;内腐蚀对于管道安全状态的影响大于外腐蚀;坡度为30°的土质滑坡下,外径10.16 cm的无腐蚀X80管道的临界横穿滑坡宽度为21.2 m,含腐蚀管道横穿滑坡时的临界腐蚀深度为0.25倍的壁厚;腐蚀管道距滑坡区中部的距离大于6 m时对管道的极限宽度影响可忽略;管道应力与极限宽度呈负相关,腐蚀深度为0.2倍壁厚时管道最大应力始终在腐蚀处,其余位置的应力与无腐蚀管道一致。     

隧道开挖对邻近地下管线的影响预测分析

隧道施工会引起周围土体移动,进而对邻近地下管线产生危害。采用Loganathan公式计算隧道开挖引起的管线平面处的土体竖向位移,对地下管线的受力模型进行简化,基于Winkler地基模型,推导出地下管线由于隧道开挖引起的弯矩和变形计算公式。通过相关算例的分析,与连续弹性解和Attwell解的计算结果进行了比较,研究结果表明,提出的方法可以很好地预估地下管线所受的弯矩。     

管道穿越滑坡下静力学与数值模拟对比分析

以管道横穿一滑坡工程实例为背景,利用ANSYS有限元分析软件建立管道横穿滑坡的力学数值模拟模型,采用FLAC3D软件对管道受力变形进行模拟研究,并采用静力学解析计算的方法,对管道变形受力状态进行分析研究,获得了管道临界破坏时管道的应变及应力和滑坡位移等特征。两种分析方法结果基本一致,结果均表明:管道横穿滑坡时,管道两端最易发生破坏。滑坡体管道正中部位变形最大,两侧变形变小,挠度变形曲线表现为正态分布;管道两端应力最大,中部正弯两侧负弯,和两端固定简支梁承受均布荷载弯矩形态一致。在静力学分析的基础上进行数值模拟分析对管道地质灾害的预测预警更准确。      

地铁暗挖施工引起的管线与地层沉降关系研究

依托北京地铁4号线公益西桥站工程,建立结构-地层-管线三维弹塑性数值模型,基于管线周边地层沉降及地表沉降实测数据分析,研究西南出入口暗挖施工上方管线周边地层变形规律。通过现场实测数据、数值模拟及经验公式计算结果综合对比,分析了管线刚度对地层变形抵制作用的影响。研究表明：管土相对刚度小于0.18时,管线与土体沉降差小于5%,可用经验公式计算出的管线轴线处地层沉降代替管线沉降。随管线刚度的增大,管线对土体变形的抑制作用逐渐增强,沿深度方向地层沉降量增大速率减小,并会出现负增长,甚至出现地层沉降小于地表沉降的情况。通过对数值计算结果的拟合分析,提出了刚性接头管线与地表沉降比和管土相对刚度的经验公式。工程实例应用结果表明,计算值与实测值偏差小于4%,验证了该方法的适用性。     

地震分析中人工边界处理与地震动输入方法研究

基于柱面波波动方程,推导建立了适用于土-结构地震动力相互作用分析的地震动输入和人工边界的处理方法.其中,地震动的输入是通过在人工边界上施加等效节点力来实现的,等效节点力的大小与入射地震波波速成正比;而人工边界的处理方法使得人工边界条件不仅在时间上是局部的,而且在空间上也是局部的.这种处理方法简单、有效,物理意义清晰,且很容易在有限元法中实现,结合Newmark时间积分是无条件稳定的.为了验证方法的有效性和精度,给出了两个算例,分别用于检验人工边界条件的性能以及地震动输入方法的正确性.算例分析结果表明,所提出的方法是十分有效的.