地铁区间隧道内爆炸效应研究

为了评估南京地铁区间隧道内爆炸破坏效应,利用有限元分析软件LS-DYNA3D软件,计算了10kgTNT距隧道底部距离为1.1m的内爆炸工况。该软件中的化学爆炸空气冲击波模拟关键字避开了复杂烦琐的欧拉计算和ALE耦合分析过程,使得模型构建大大简化。计算得到了结构中不同关键节点的位移与速度时程曲线与不同单元的加速度时程曲线和最大主应变。结果表明地铁区间隧道在10kgTNT内爆作用下是安全的。     

基于SPH-FEM耦合法的土体爆炸效应数值研究

岩土体爆炸破坏问题是岩土工程领域的研究热点,为开展小当量集团装药在不同埋置深度时的土中爆炸效应分析研究,在LS-DYNA框架内建立基于光滑粒子流体动力学-有限元耦合方法（SPH-FEM）的砂土地基爆炸效应分析模型。计算结果表明：浅埋装药时最大爆坑深度到达时刻远在最大爆坑直径之前,地基表层砂土体剪切流场对爆坑直径的发展具有决定性作用;随着药包埋置深度的增加存在一个临界爆坑直径,爆坑直径近似认为只与药包当量和埋置深度相关,经简化与经验假定之后得到的爆坑直径与埋药深度之比与比例距离近似呈直线关系;砂土中爆炸波在近区表现为强间断的冲击波形式,压缩作用是造成近区砂土大变形流动的主要因素,而在爆炸远区则转变为连续的应力波形式;土中爆炸波峰值压力随比例爆距的衰减规律与经验曲线基本一致。研究结果可以为地基工程的抗爆设计及加固提供参考。     

单螺旋空孔直眼掏槽成腔过程数值模拟研究

采用ANSYS三维非线性动力有限元软件,对单螺旋空孔直眼掏槽的爆炸应力波传播规律与成腔过程进行了数值模拟研究,得到了单元有效塑性应变分布图、节点有效速度分布图、节点时间-加速度历程曲线和炸药爆炸体积扩展过程示意图。结果表明,模拟的爆炸应力波是以柱面波形式传递,这与理论上的爆破应力波传递形式相一致,同时还总结出爆破效果与装药孔至空孔的距离相关的结论。整个数值模拟研究实现了掏槽爆破成腔成型过程和压力传播过程的可视化,对预测掏槽爆破效果和优化爆破设计具有积极意义。     

爆炸荷载下不同锚固参数围岩的加速度响应分析

地下洞室岩体加速度过大易造成围岩的不稳定,通过由模型试验得到的加速度-时程曲线分析,研究了爆炸荷载作用下不同锚固参数洞室围岩的加速度响应特征。分别阐述了洞室拱顶、底板、两帮加速度时程曲线的形态及其峰值大小,重点比较了洞室围岩因锚杆加固方式的不同对爆炸产生加速度响应的差异,结果表明,拱顶垂直和右帮水平加速度-时程曲线较光滑,而底板和左帮垂直加速度-时程曲线存在较大震动;洞室拱顶加速度峰值最大;4个洞室中锚杆间距最小的洞室,其拱顶、两帮加速度比其他洞室的小,而底板加速度比其他洞室的略大,可见减小锚杆间距可以增加洞室稳定性。     

冲刷对桥墩稳定性影响的有限元分析

在对湘黔线资水大桥的评估中,提出了桥墩在受各种不同冲刷程度的影响下,通过改变基底的支承方式模拟基础底部被掏空的途径,应用有限元方法进行基底压应力和墩顶位移计算分析的方法。该方法揭示了基底最大压应力等于基底容许压应力时的极限掏空面积和考虑墩顶最大横向、纵向、竖向位移的因素而引起基础的各种变形与应力发生剧烈的变化,导致基础失效的基底掏空面积,为受冲刷桥墩的稳定性分析提供了有力的依据。     

巷道围岩状态的等效应力等效应变表述

在体积应变为零的条件下,根据巷道围岩属简单加载的特性得到围岩中同时关联三向应力 , , 和三向应变 , , 的,用等效应力 和等效应变 表示的对围岩加载-形变关系式。严格地论证了巷道围岩的弹性、硬化、软化和流动区的应力应变状态分别与围岩的等效应力-等效应变曲线各阶段的应力应变状态相对应。以等效应力、等效应变为中间变量可以简化围岩弹性分析,简捷地写出巷道围岩偏应力应变能的计算公式。等效剪应力 是围岩中的最大剪应力 ,等效剪应力单元受正应力和剪应力作用,但其上只有剪切应变,这突出了巷道围岩形变破坏是由于最大剪应力和偏应力应变能所致的实质。根据等效剪应力概念确定的滑移线,可适用于材料应变硬化和软化阶段,不要求刚塑性假定条件。     

不耦合装药爆破对硬岩应力场影响的数值分析

爆破地震勘探石油是一种重要的方法,但爆破地震效应与爆破参数、地质条件等密切相关。采用动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对柱状炸药与药孔壁之间为空气或其他介质以及空隙间距变化时碳酸盐岩岩石中爆炸应力波的传播规律和爆炸地震波能量的衰减特性进行了数值模拟研究,得到了不耦合装药爆炸时岩石应力、振动速度的衰减规律以及与不耦合系数、间隙介质的关系,分析了不耦合效应对爆炸地震波能量的影响。研究表明,不耦合或耦合不好时会使岩体中爆炸应力波的强度大大降低;耦合状态对岩体应力及速度的衰减系数和衰减指数影响较大;在空隙中注水或灌满泥浆会改善它们的耦合关系,增大下传的爆破能量。所得成果可为我国西南地区优选适合碳酸盐地层地震勘探的激发因素提供技术途径和方法。     

爆炸荷载作用下浅埋结构动态响应有限元计算

采用有限元数值计算方法分析了地下浅埋结构的非线性动力响应,得到了结构在不同时刻的动态响应模拟计算数据。该地下浅埋结构由金属壳体和上覆土体共同组成,对于土体和金属壳体分别采用Drucker-Prager和Mohr-Coulomb屈服准则以及弹塑性本构关系,分析其非线性动态位移场和应力场。根据爆炸试验数据,研究了爆炸冲击波随距离和时间的变化过程,并且将其作为作用在结构内部的爆炸荷载。有限元数值模拟结果表明,采用非线性有限元模拟爆炸冲击荷载作用下地下浅埋结构的弹塑性动力响应是有效的,并且证明所设计的地下防护结构是安全的。     

一年内列车荷载作用下冻土路基的应力分布

冻土路基土体的物理性质与温度有密切关系, 在不同的季节, 路基内的变形场和应力场会相应发生变化. 为了说明路基内变形场和应力场的季节性差异, 以青藏铁路某断面为例, 对冻土路基在有、无列车荷载两种工况下进行了数值模拟, 系统分析了两种工况下路基内的变形场和应力场特点. 结果表明: 路基修筑后, 在自重作用下会产生较大瞬时变形; 由于路基内温度场随时间变化, 路基内各点的位移也随时间发生变化, 且位移时程曲线与温度时程曲线大体呈负相关. 在有、无列车两种工况下路基竖向位移分布都是由道砟中心向路基内部逐渐减小, 但数值明显不同; 由列车荷载引起的最大竖向附加变形发生在路基顶面中心点, 在10月15日、1月15日、4月15日, 变形量分别为-4.94 mm、-3.24 mm、-2.56 mm. 对于路基底面中心点和地基浅层中心点, 由列车荷载引起的附加应力在10月15日最大、1月15日次之、4月15日最小, 附加应力最大达到19.48 kPa; 列车荷载主要影响路基上部土体应力分布, 对下部土体应力分布影响较小.     

高应力状态下的黄土抗剪强度特性研究

土体抗剪强度包络线在一定的应力范围内可近似看做直线, 一般工程中直剪试验正应力和三轴试验围压常为0～400kPa, 试验可得出以黏聚力c和内摩擦角确定的强度。在黄土地区, 人工和自然边坡可超百米, 坡内应力自低到很高变化范围大, 对该类高边坡需考虑强度参数随应力状态的变化。本文先通过线弹性有限元模拟一黄土高边坡应力场。以潜在滑面上关键点的应力为固结应力进行三轴压缩试验(NCTC)。为了对比分析, 又进行了100kPa、200kPa、300kPa、400kPa围压下的三轴压缩试验(CTC)。结果表明, 考虑黄土高边坡应力状态时, 由总应力莫尔圆得到的强度包络线为曲线, 直线型莫尔-库伦强度准则不适用; 而有效应力莫尔圆的到的强度包络线可为直线, 其有效强度参数高于CTC试验。在-应力空间中, NCTC试验总强度包络线和有效包线均位于CTC试验强度包线之上, 抗剪强度高, 这同固结应力高且为偏压固结有关。     

地震载荷下核岛动力响应数值模拟

核电作为清洁型能源具有广阔的发展前景,研究核电站的地震响应具有重要意义。建立了AP1000核岛的有限元模型,进行模态分析获取核岛的振动形态。用无限元模拟远场地基,有限元模拟近场地基,并考虑基础埋置及土与结构相互作用,开展了不同地基条件下的核岛地震响应分析。结果表明：随着地基刚度的增加,核岛节点的响应加速度幅值增大,而加速度反应谱峰值对应的周期减小,核岛节点应力增大,但其相对位移减小;考虑土与结构相互作用之后,软弱地基的响应加速度峰值大幅减小,地基加速度反应谱峰值对应的周期增加,土与结构相互作用对此类地基上核岛的地震输入有较大影响;对于坚硬岩石地基,土与结构相互作用对地震输入的影响可以忽略。     

反应位移法在地下综合管廊抗震设计中的应用

为探讨反应位移法在地下综合管廊地震分析中的适用性及地基弹簧刚度选取和模拟方法,采用SAP2000结构有限元软件进行地下结构地震反应分析,研究基床系数、地层剪应力计算方法对结构地震响应的影响,并与PLAXIS软件的动力时程分析结果进行对比分析。结果表明：反应位移法在地下综合管廊的初步抗震计算中可优先选用;在地基弹簧刚度计算方法中,推荐使用日本公式法和常规静力有限元法,并尽量考虑土层分层情况,若一味作均匀等效化,可能导致土体动剪切模量偏大,土层均质等效计算的结构内力值与动力时程法的结构内力偏差达到-400%~-250%;建议采用SAP2000程序中实现仅受压行为的两节点缝单元+远端固定铰支座相结合的方法模拟法向地基弹簧,采用常规土弹簧单元模拟切向地基单元。     

地震作用下复合地基-筏板-上部结构相互作用体系的动力弹塑性分析

基于复合地基-上部结构相互作用的静力分析已取得一定的研究成果,但其在动力荷载作用下,特别是地震作用下的动力响应却相当匮乏。首先借助有关试验通过ABAQUS和EERA的模拟分析,验证了基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性模型能较好地反映土体非线性动力特性以及采用有限元与无限元耦合的方法对土体无限边界的模拟。在此基础上,针对实际问题建立了刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型,对其进行动力弹塑性时程分析,并讨论了该复合地基与桩基对地震响应的差异。深入研究了不同强度地震作用下,刚性桩复合地基的工作机制,包括桩体、褥垫层、筏板的动力响应以及上部结构的地震反应和抗震性能。结果表明,小震时褥垫层基本没有减震效果,大震时复合地基的抗震性能优于桩基。地震越强烈,减震效果越明显,但作用有限,减震系数一般在0.8以上,可为工程实践提供参考。     

某核电取水隧洞洞口段及洞口高边坡抗震稳定分析

针对某核电取水隧洞工程,采用非线性的动力分析方法,用Flac3D建立大型三维有限差分模型,模拟隧洞洞口段在场址时程地震波作用下的地震响应规律,同时通过建立隧洞洞口处回填高边坡的二维有限元模型,进行洞口边坡在地震动作用下的稳定性分析,得出其边坡滑动面位置和动力安全系数时程曲线。通过场址地震波的输入,探讨隧洞洞口及边坡的结构响应特点,得出隧洞洞口衬砌内力随地震波作用的时程变化曲线,绘制隧洞衬砌内力图,同时给出隧洞洞口段高边坡安全系数。分析结果表明,隧洞洞口抗震的薄弱部位位于隧洞拱肩及边墙位置。分析方法及结论对于隧洞的抗震设计具有一定的参考价值。     

宁波北仑电厂二期循环水泵房基抗支护与监测

介绍了宁波北仑电厂二期工程地下连续墙支护结构的计算与模型。采用ALGOR有限元分析系统，对基坑开挖引起的应力场、位移场进行了分析计算。对墙体变形、钢筋应力、土压力及沉降进行了观测。通过计算值与实测结果的比较，分析了影响基坑变形的主要因素。     

CFG桩复合地基褥垫层的试验研究和有限元分析

针对CFG桩复合地基褥垫层效应问题,通过12根桩的单桩复合地基载荷试验,研究了不同厚度、不同材料的褥垫层对桩土应力比的影响。试验结果表明,褥垫层的厚度和刚度对CFG桩复合地基的桩土应力比均有影响,褥垫层过薄及过厚将使桩的承载力得不到有效发挥。利用有限元软件包ANSYS,建立了单桩复合地基有限元模型,分析了褥垫层厚度和变形模量对桩土应力比的影响,经与试验数据进行分析比较,得出了与试验结果相一致的结论。通过有限元分析结果与试验结果的对比分析,确定了CFG桩复合地基褥垫层的选用原则,从而为复合地基设计中褥垫层的设计提供了依据。     

超深桩基础的有效应力地震反应有限元分析

采用有效应力动力分析方法,通过三维有限元数值分析手段,对某长江大桥索塔超深钢围堰加钻孔灌注桩基础进行了地震反应性状分析,对超深桩基础的震陷、地震反应加速度及振动孔隙水压力等动力特性进行了研究。计算结果表明：在地震作用下,桩基发生了较大永久变形,水平位移表现为桩侧土体向桩挤压,桩下部土体向外运动;桩侧附近的地震振动孔隙水压力较小,液化度也较小,相对于天然地基,桩基有较好的抗震性能;桩基础在桩顶部位动力反应相对较大,且边桩的动力反应比中桩的动力反应要大。     

地震作用下边坡安全系数时程计算及参数研究

提出了一种计算地震作用下边坡动力安全系数时程的方法,该方法以动力有限元时程分析得到应力场,再使用遗传算法搜索每个时刻下的临界滑裂面,进而确定其安全系数,从而得到边坡在动力作用下的安全系数时程,物理意义明确。通过在基岩输入不同周期的正弦波加速度,研究了动力作用周期对安全系数时程的影响,发现相同加速度幅值下周期越大安全系数越小,安全性越低。与边坡自振周期和振型比对后发现,地震波周期与边坡自振周期耦合引起的动力响应增大,不仅与周期耦合相关,还与相应的自振振型相关,只有与以坡体本身振动为主的振型耦合时,才会发生明显的动力响应增大,相应的安全系数明显降低。     

复杂非均质场地条件下核电厂HPX泵房的静动力联合分析

EPR核电厂循环水泵房(HPX)给循环冷却水(CRF)系统供水,为抗震Ⅰ类物项,厂址地基中非均质特性的影响尤为重要。以国内某核电厂实际厂址条件为背景,基于ANSYS分析平台建立了泵房-地基三维有限元整体计算模型,细致模拟捕虏体的力学特性和空间分布形态,并提出基于隐式Newmark的静动力时程分析法,对地基竖向变形及承载能力,基础底面接地率、抗滑和抗倾覆稳定性以及泵房主应力分布等进行了综合评价。计算结果表明,在该厂址实际的分布状态情况下,捕虏体的存在对泵房地基的安全性影响较小,局部压应力超标不影响整体稳定性,所评价指标均能满足规范要求,不需要进行地基处理措施,也验证了所建立静动力联合分析模型的可靠性及良好的工程适用性,结合ANSYS软件丰富的单元模型及非线性分析能力,该模型具有解决复杂核电结构非线性动力问题的潜力。     

滑坡稳定性分析与安全系数取值研究

在地质灾害中,滑坡灾害分布最广、发生频率最高、危害最大,是我国地质灾害防治的主要对象。滑坡研究的主要任务之一是稳定性分析。论文针对三板溪水电站进水口滑坡和水布垭水电站大岩淌滑坡,分别采用刚体极限平衡法、块体单元法、有限单元法对稳定安全系数和条间推力分布曲线进行分析和比较,研究各种方法的差异和计算精度,以及各种方法稳定安全系数的取值标准,希望为水利水电工程边坡设计规范有关有限单元法、块体单元法条目的编写和相应的允许安全系数取值标准的制定提供一定的参考。研究结果表明:①块体单元法计算的安全系数与刚体极限平衡法计算的安全系数可以采用相同的取值标准,而有限单元法计算的安全系数取值标准可适当降低;②块体单元法计算的条间水平推力、条间剪切力与刚体极限平衡法(尤其是Sarma法)计算的条间水平推力、条间剪切力非常相近,有限单元法计算的条间水平推力、条间剪切力较小;③分析方法、力学模型与参数取值应与安全系数取值标准相匹配。