考虑横向惯性效应时桩侧土-管桩-土塞纵向耦合振动特性研究

与实心桩相比,由于土塞与管桩内壁复杂的相互作用,开口管桩的桩-土动力相互作用问题更为复杂。因此,需深入研究考虑土塞效应时的管桩-土体动力相互作用问题。首先,考虑管桩的横向惯性效应及其黏性性质,采用Rayleigh-Love动力杆件模型和附加质量模型建立了桩侧土-管桩-土塞系统的纵向振动控制方程。进一步,采用积分变换和阻抗函数传递技术,分别得到了任意荷载形式下管桩桩顶速度频域响应的解析解以及半正弦脉冲激励作用下桩顶速度时域响应的半解析解。最后,通过与现有解及模型试验的对比研究验证了理论解的合理性,并研究了管桩设计参数对桩顶纵向振动特性的影响。结果表明,当管桩其他设计参数不变时,管桩截面尺寸越大或长度越小时,应力波传播过程中的弥散效应越明显。对于同样外半径的管桩,壁厚越大时,越容易检测到土塞顶部界面及桩尖传来的反射信号,就能对管桩的施工质量进行更为合理的评价。     

地铁列车荷载作用下饱和土中圆形衬砌隧道和轨道系统动力响应分析

为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,采用解析法建立了饱和土全空间中圆形衬砌隧道和轨道结构耦合分析模型,用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟地铁列车,用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质理论模拟土体,用Euler梁理论模拟钢轨、浮置板并组成两层叠合梁单元,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道结构与衬砌及周围饱和土体的耦合。通过算例对比了饱和土体模型和弹性土体模型动力响应的差异,分析了饱和土渗透系数、荷载移动速度和自振频率对轨道结构位移、饱和土体位移及孔压的影响。结果表明:当土体渗透性较差时,饱和土位移响应与相应的弹性土位移响应区别明显,土体模型对轨道结构响应影响较小;随着渗透系数的降低,饱和土体孔压增大;荷载移动速度和自振频率对轨道结构和土体动力响应影响显著。     

一种模拟堆石料颗粒破碎的离散元-比例边界有限元结合法

试验研究和数值模拟都表明,颗粒破碎对颗粒岩土材料的宏观力学响应具有重要的影响。结合离散元与比例边界有限元法,提出一种用于研究堆石料颗粒破碎行为的新的数值计算方法,可以将两种方法各自的优势同时发挥出来。离散单元法将被用于求解颗粒的运动以及相互作用。在每一个时间步尾,采用比例边界有限单元法计算颗粒内部的应力分布。比例边界有限单元法可以仅用一个任意边数的多边形来描述一个颗粒,大大节约应力计算的成本。当应力状态确定之后,Hoek-Brown准则将被引入用于确定颗粒内部的破坏点,当破坏点达到一定的比例时,即视为这个颗粒将破坏。为简化起见,假设破坏路径为直线,如果破坏发生,则该颗粒一分为二,各个新的颗粒将直接参与离散元和比例边界有限元的计算。该方法无需预定义任何子颗粒或网格重划分。最后以一个简单的双轴试验的模拟展现方法的可行性。     

自适应差分进化算法在边坡滑面搜索中的应用

边坡三维临界滑裂面的确定及其安全系数的求解是边坡稳定分析中的关键问题,而现有分析方法尚难以方便、可靠地获得三维滑裂面。在有限元数值应力场的基础上,计算边坡的安全系数。通过构造扩展椭球形滑裂面,利用自适应差分进化(SaDE)算法结合反向移动操作,实现了复杂边坡三维临界滑裂面的搜索。扩展椭球滑裂面构造方便,搜索灵活,比传统的球面或椭球面更能反映实际工程情况。整个求解过程为显式求解,不存在收敛性问题。算例考核结果表明,提出的方法具有良好的搜索效率与全局寻优能力,结果与刚体极限平衡法、有限元强度折减法吻合,计算结果合理可靠。通过实际工程边坡,进一步验证了该方法可方便、有效地应用于具有复杂岩性及环境条件的边坡三维稳定性分析。     

岩石材料冲击压缩特性细观模拟方法研究

岩石材料的细观特性对宏观力学性能有着重要影响。为了分析岩石材料颗粒形态、孔隙和含水等细观特性对宏观冲击响应行为的影响规律,从岩石材料的细观特性入手,结合材料细观结构照片,经制图软件矢量化和轮廓处理,建立了能够反映材料细观分布特性的岩石材料有限元模型。基于AUTODYN有限元计算软件,对岩石材料冲击压缩细观行为进行数值模拟,获取材料颗粒形态、孔隙和含水等细观特性对材料宏观冲击压缩特性的影响规律。确定岩石材料冲击Hugoniot参数,应用于冲击开坑仿真中,并与已有的试验结果进行了对比。结果表明:数值仿真结果与已有试验数据吻合较好;孔隙率和含水率对岩石材料冲击波衰减规律有十分显著的影响;细观模拟确定的Hugoniot参数运用到岩石材料宏观动力学行为数值模拟中,可有效反映岩石材料中颗粒、孔隙和含水等细观特性对冲击开坑行为的影响规律。     

组合煤岩冲击倾向电荷判据试验研究

针对深部煤层冲击倾向指标评价冲击危险出现的差异现象,开展了煤、岩石和组合试样冲击倾向指标试验研究,对组合煤岩试样破裂过程的电荷信号进行监测。试验结果表明:顶、底板岩石对煤体的冲击倾向有显著影响,岩石厚度越大,冲击倾向指标越高;组合试样破裂过程的力-电荷变化具有一致性,冲击倾向性强的组合试样,其应力强化直至破坏阶段的电荷信号幅值相差显著。由此提出了组合煤岩峰后电荷变化率冲击倾向判据。回采面的电荷监测表明,冲击危险发生过程获得的电荷变异系数迅速升高和衰减以及试验获取的峰后电荷变化率的量化分析结果相一致,从而验证了峰后电荷变化率作为冲击倾向判据的正确性,为形成深部开采条件下组合煤岩冲击危险及发生几率的电荷预测方法提供了试验指导,为煤岩体失稳破坏预测、矿井动力显现预警提供了试验依据。     

大型堆积体边坡基-覆界面及坡面动态响应特性试验研究

地震动力作用下堆积体边坡的变形破坏受多种因素影响,为研究基-覆界面及坡面倾角对松散堆积体边坡的动力响应影响,通过室内物理模型试验,模拟了水平向振动荷载作用下包含不同倾角的基-覆界面和坡面的堆积体边坡的变形破坏过程。试验结果表明,堆积体边坡的破坏模式由基-覆界面及坡面倾角共同控制,当基-覆界面倾角在一定范围内(15°)时边坡只发生浅表部局部滑塌破坏,不会发生沿基-覆界面的整体下滑;随着基-覆界面倾角的增大,边坡破坏形式由局部滑塌逐渐转变为以整体下滑为主;坡面坡度控制着边坡局部滑塌的范围。     

基于凹体凸化的全空间块体识别方法

采用结构面切割多面体再合并的方法可以实现有限结构面间的块体识别,但切割的对象必须为凸体,而实际工程中的岩体模型并不局限于凸体。为了解决这一问题,提出一种凹体凸化方法,用于将凹体模型分解为凸体子区。首先,通过面单元法建立岩体模型,并设置可包裹模型的长方体;其次,以平面对凸多面体的切割算法为基础,利用面单元所在平面将所设置的长方体切割为若干子区;最后,通过判断子区与原模型的位置关系而实现凸化,并对凸化过程中的关键算法进行说明。针对切割过程中结构面与多面体的接触性判断问题,给出了从粗略到精确的判断方法,有效地减少了计算量。结合两个具有代表性的算例,给出所提块体识别方法的过程和结果,结果显示,所识别出的块体形态及数量不受限制,从而证明了本方法用于凹体模型的适用性与有效性。     

考虑参数相关的高心墙堆石坝材料参数反分析

在高心墙堆石坝应力变形控制数值模拟中,除了所采用土体本构模型的误差影响外,材料参数取值是否合理也是影响堆石坝变形预测精度的关键因素之一。传统参数反分析方法未考虑材料参数之间相关性影响,可能导致反分析参数值与材料实际特性不匹配。另外,高心墙堆石坝材料分区较多,模型待反分析参数多,计算量较大。针对邓肯–张E-B模型参数,通过大量室内试验数据统计分析,得到材料的抗剪强度参数φ与φ、切线模量系数K_e与体积模量系数K_b、切线模量指数n与m存在显著相关关系,根据其相关关系确定模型基础反分析参数为φ、R_f、K_e和n。构建了基础反分析参数为自变量,数值计算位移值为因变量的响应面方程,运用改进的遗传算法和已知的参数回归方程求得文中模型待反分析参数最优解。以瀑布沟砾石土心墙堆石坝工程为例,对坝体及覆盖层材料参数进行了反分析。计算结果表明,考虑参数相关的反分析方法得到的材料参数更加符合材料的真实特征,由于减少了待反分析参数个数,使计算效率显著提高,该反分析方法可为类似工程提供参考,具有工程应用价值。     

高阶交错网格有限差分弹性波场模拟的精度分析

交错网格波场数值模拟是目前地震正演中广泛使用的方法,为对比分析不同阶数的差分格式下产生的计算效率和精度差异,重新推导了弹性波方程的4种时间4阶、空间2N阶的差分公式及系数,并计算了他们的稳定性条件。利用这4种差分格式进行弹性波场数值模拟,对比分析了波场快照、合成地震记录及CPU时间。结果表明:时间4阶、空间6+6阶精度的交错网格有限差分方法在进行地震波场数值模拟时具有较高的计算精度和计算效率。