基于离散元的普洒崩塌过程分析研究

崩塌一旦发生,往往带来严重的生命财产损失。2017年8月28日10时30分左右贵州省纳雍县张家湾镇普洒村发生了灾难性的高位崩塌地质灾害,摧毁了普洒村居民区房屋,还有26人遇难,9人失踪,8人受伤。查明崩塌的基本特征及现场工程地质条件变得尤为重要,有利于找出诱发崩塌的关键性因素,分析崩塌的形成机制及运动过程,为此类灾害防治及早期识别提供理论依据。文中通过现场调查、无人机航拍、现场视频和已有地质资料查明斜坡工程地质条件、斜坡特征,分析崩塌运动过程,采用3DEC离散元数值模拟方法,对高陡斜坡在地下开采作用下崩塌所产生的机理、失稳模式、运动轨迹进行了全过程模拟,并将数值模拟结果与崩塌实际过程进行对比。结果表明：通过3DEC模拟地下开采诱发的崩塌过程,发现斜坡在地下开采的扰动下会产生大规模的崩塌。普洒崩塌的主要过程为：（1）煤矿的开采过程中,斜坡受到扰动,加剧岩体产生变形,上覆岩体出现开裂塌陷现象,坡顶出现拉裂缝;（2）采空区形成后,整个坡体出现不均匀沉降,裂缝进一步向下扩展,岩体破碎趋向临空面倾倒,开始脱离坡表,形成崩塌;（3）坡顶岩体变形剧烈,斜坡整体失稳,发生大规模崩塌;（4）崩塌块体间冲...     

预应力钢筋混凝土梁破坏过程的声发射特性实验研究

利用全波形声发射技术记录了预应力钢筋混凝土梁在3点弯曲荷载下整个破坏过程的声发射信号,并在研究了声发射累计能量随时间变化关系曲线的基础上,采用谱分析对声发射全波形数据进行了分析和处理。以全波形声发射信号的能量分布特性为依据,通过对时域和频域内信号的振幅、频率特征和构件破坏过程的比较,初步得出了预应力钢筋混凝土梁破坏过程的声发射信号的参数特性,发现全波形声发射信号能够实时反映预应力混凝土梁破坏过程中的特征信息。     

预应力钢筋混凝土梁损伤声发射分形特征试验研究北大核心CSCD

为了探索预应力钢筋混凝土梁声发射信号特征参数与其损伤的演化关系,利用分形理论对预应力钢筋混凝土梁弯曲破坏过程声发射信号特征参数序列的关联维数演化特征进行了分析。研究结果表明:在弯曲破坏过程中,声发射信号能量参数序列在给定的尺度下具有明显的分形特征,不同的加载级数下声发射过程也具有不同程度的自相似性,因此关联维数可以描述预应力钢筋混凝土梁结构的力学状态。AE信号能量参数关联维数的折线下降意味着损伤的出现,关联维数持续下降后并呈水平趋势,可作为预应力钢筋混凝土梁结构临近极限承载力的征兆,这些特征可用于预应力钢筋混凝土简支梁结构健康监测和无损检测。     

预应力钢筋混凝土梁损伤声发射分形特征试验研究

为了探索预应力钢筋混凝土梁声发射信号特征参数与其损伤的演化关系,利用分形理论对预应力钢筋混凝土梁弯曲破坏过程声发射信号特征参数序列的关联维数演化特征进行了分析。研究结果表明:在弯曲破坏过程中,声发射信号能量参数序列在给定的尺度下具有明显的分形特征,不同的加载级数下声发射过程也具有不同程度的自相似性,因此关联维数可以描述预应力钢筋混凝土梁结构的力学状态。AE信号能量参数关联维数的折线下降意味着损伤的出现,关联维数持续下降后并呈水平趋势,可作为预应力钢筋混凝土梁结构临近极限承载力的征兆,这些特征可用于预应力钢筋混凝土简支梁结构健康监测和无损检测。     

基于声发射和BP神经网络的预应力钢筋砼梁损伤过程分析北大核心CSCD

以预应力钢筋混凝土梁三点弯曲试验为基础,绘制了声发射幅值、能量等AE参数相关图,揭示了预应力砼梁的损伤演化过程;借鉴NDIS-2421定量评定标准,对试验梁的损伤程度做出定性的评价;同时,通过AE特征信号Kurtosis指标的计算对演化过程进一步分析,确定4个典型失效阶段后,建立各失效阶段声发射信号特征参数数据,并设计BP神经网络模型进行训练,训练后的定型网络对梁损伤程度有很好的识别能力。可以为工程中进一步开展预应力钢筋砼结构损伤活动性的长期健康监测提供理论基础和指导。     

碳纤维桥梁拉索疲劳损伤声发射信号小波分析

碳纤维具有强度高、耐久性好等优点,现已广泛应用于土木工程结构中。用碳纤维材料制作的桥梁高耐久性拉索,已经在多个桥梁中得到应用,但是对这种新型桥梁拉索的损伤监测目前还缺乏有效的手段。本文拟采用声发射技术监测碳纤维桥梁拉索疲劳损伤。首先,通过疲劳试验,得到了拉索整个损伤过程的声发射特征参数,并将声发射特征参数两两组合,研究结果表明:采用计数、能量、持续时间、幅值和时间的相关点图可以来综合表征损伤。其次,基于声发射监测信号特点,考虑用小波变换的奇异性检测来处理声发射信号,分析小波系数的奇异性,采用"节点-幅值"定位检测方法,实现了对拉索的损伤识别。与相关点图相比较,小波分析方法在处理声发射信号时,图形更加清晰,特征更为突出,损伤更易识别,而且还可以利用小波阈值去噪、对声发射信号实行信噪分离、提高信噪比,从而提高损伤识别的准确性。     

基于声发射和BP神经网络的预应力钢筋砼梁损伤过程分析

以预应力钢筋混凝土梁三点弯曲试验为基础,绘制了声发射幅值、能量等AE参数相关图,揭示了预应力砼梁的损伤演化过程;借鉴NDIS-2421定量评定标准,对试验梁的损伤程度做出定性的评价;同时,通过AE特征信号Kurtosis指标的计算对演化过程进一步分析,确定4个典型失效阶段后,建立各失效阶段声发射信号特征参数数据,并设计BP神经网络模型进行训练,训练后的定型网络对梁损伤程度有很好的识别能力。可以为工程中进一步开展预应力钢筋砼结构损伤活动性的长期健康监测提供理论基础和指导。     

滑坡变形突变异常的小波识别方法

准确地判别滑坡的变形演化阶段,特别是对进入加速变形阶段突变点的识别,对及时捕捉滑坡前兆,尽早开展滑坡预警报和进行工程处理都具有十分重要的意义。将小波的多分辨分析与突变点识别原理相结合,依据滑坡的累积位移监测资料,结合3类典型滑坡(光滑型、阶跃型和振荡型)实例对滑坡进入加速变形阶段的突变点进行了识别研究。研究结果发现,滑坡在进入加速变形阶段时,其累积位移监测信号在4个连续尺度上分解重构后的细节信号的幅值均存在着明显的突变特征,而且4个尺度的突变特征均具有较好的一致性。据此特征,即可较为准确地识别滑坡进入加速变形阶段的突变点。     

岩土破坏过程声发射特征的实验研究

通过对重庆黄泥包滑坡处采集的岩土试样进行单轴压缩和拉伸实验,测试了岩土破坏过程的声发射信号,得出了岩土破坏过程声发射的基本特征:在单轴压缩实验中,声发射能量信号随着压力的增加呈现连续增加的趋势,在主破裂时刻有较强声发射能量信号产生;在蠕变实验中,AE在压力上升阶段信号增强,在恒定压力下,AE信号有所减弱,整体趋势较为平缓;在拉伸实验中,岩土的破坏方式呈主震型和群震型;AE信号能够反映岩土受载过程;岩土的抗压强度与声发射能量最大值呈正相关性;加载速率越大,声发射能量最大值也越大。     

混凝土I-II复合型断裂过程声发射特征研究

通过对不同位置预制裂缝的混凝土三点弯曲梁进行声发射试验,开展了不同预制裂缝偏移比下混凝土I-II复合型断裂的声发射过程参数、状态参数、统计参数分布规律,以及参数间相关性研究。结果表明:振铃计数—时间曲线、能量释放率—时间曲线的突变可表征I-II复合型断裂过程的临界状态,随着预制裂缝偏移比的增大,峰值荷载增大,试件脆断性增强;部分声发射过程参数间具有高度或中度相关性;随着裂缝偏移比的增大,试件起裂阶段主频均以低频占优,失稳阶段主频呈现“高—低”趋势。该研究可为混凝土损伤状态判别提供一定基础。     

碎屑流－堵河震动频谱特征识别的试验研究

主动监测碎屑流运动过程中产生的地震动信号可用于灾害运动演进过程评估、监测预警。通过开展室内模型试验,模拟了不同坡度下,山前平地型碎屑流和堵河型碎屑流运动过程,并采用经验模式分解（EMD）和短时傅里叶变换（STFT）相结合的时频分析法分析了其震动特征。结果表明:①根据震动信号将碎屑流运动过程分为分离启动阶段、加速阶段、冲击接触阶段、堆积阶段,并分析了各阶段的时域、时频域和瞬时能量特征;②碎屑流相对运动产生的地震信号的能量强度、频率和振幅与碎屑流相对于滑槽的运动状态相关性强;③斜坡坡度增大时,对波形曲线特征、能量分布特征影响显著,同时加速阶段和冲击接触阶段的最大振幅逐渐增加,呈现较好的线性关系;④山前平地型碎屑流和堵河型碎屑流在堆积阶段的地震波波形、时频图和瞬时能量变化都具有明显差别,并且前者在堆积阶段的最大振幅在相同斜坡坡度下都大于后者,以上指标可作为碎屑流-堵河的超前识别依据。     

混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂过程声发射特征研究

通过对不同位置预制裂缝的混凝土三点弯曲梁进行声发射试验,开展了不同预制裂缝偏移比下混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂的声发射过程参数、状态参数、统计参数分布规律,以及参数间相关性研究。结果表明:振铃计数—时间曲线、能量释放率—时间曲线的突变可表征Ⅰ-Ⅱ复合型断裂过程的临界状态,随着预制裂缝偏移比的增大,峰值荷载增大,试件脆断性增强;部分声发射过程参数间具有高度或中度相关性;随着裂缝偏移比的增大,试件起裂阶段主频均以低频占优,失稳阶段主频呈现"高—低"趋势。该研究可为混凝土损伤状态判别提供一定基础。     

一种典型的煤岩冲击破坏的微震前兆模式

基于跃进煤矿23130工作面硬顶板破裂诱发的强岩爆灾害的微震监测结果,发现了典型的煤岩岩爆破坏的MS效应规律,即“前兆冲击-静期-主震”模式。通过小波去噪和傅里叶变换,详细揭示了岩爆不同阶段的MS频谱演化规律。研究结果表明：岩爆破坏前,前兆MS信号的优势频率开始下降,中心频率小于25 Hz;频谱分布呈单峰型,振幅较大。静期MS信号幅值突然减小,同时大量微裂缝压裂产生的高频分量开始明显增加,频谱分布呈现多峰型;这一阶段被称为静储能阶段,大量的弹性应变能开始在煤岩材料中积累。当煤岩材料中累积的总弹性能达到极限储存能时,触发岩爆,且主震信号的中心频率小于10Hz,同时振幅达到峰值,通过煤岩组合试样变形,断裂和岩爆破坏的MS效应实验,验证了岩爆现场实测结论,该研究结论为利用MS监测系统进行岩爆危险性评价和预警提供了有益的尝试。     

拉裂式崩塌的运动特征分析——以陕西延长县为例

利用离散元法对延长县拉裂式岩质崩塌进行了数值模拟,研究了拉裂式崩塌的运动过程,分析了其运动规律。根据崩塌的受力形式和运动特点,拉裂式崩塌的运动过程分为岩体原有节理的开裂变形、崩塌体与基岩碰撞的落体运动、崩塌体相互碰撞与堆积、坡体的二次变形破坏四个阶段。由于影响崩塌运动的因素很多,其运动形式也非常复杂,数值模拟得出崩塌的运动速度小于理论计算结果,运动距离与实际调查结果基本一致。因此数值模拟结果可用于预测该类型崩塌的影响范围,同时对工程实践具有指导意义。     

山区平缓倾内采动斜坡变形破坏机制研究——以贵州普洒崩塌为例

平缓倾内斜坡在西南山区广泛分布,同时斜坡下伏岩层存在长期地下开采活动。与平原相比,西南山区采动斜坡具有“上硬下软”坡体结构、岩层平缓倾内与开采强度大等特点。以普洒崩塌为原型,在现场调查的基础上,采用底摩擦试验分析多层煤层开采条件下斜坡的变形破坏过程,并运用DPDM技术进行变形位移监测,揭示此类斜坡变形破坏机制。研究表明：煤层开采引起覆岩弯曲下沉、冒落;覆岩变形加剧并向上发展,坡顶形成深大裂缝;裂缝进一步拓宽,沿陡倾节理向下拓展到软岩层时,崩塌体由向临空面移动,转而向坡表蠕滑,最终突破坡面附近“锁固段”,崩塌体发生倾倒失稳破坏;崩塌发生后,沿途碰撞、解体和铲刮,最后堆积于坡脚前缘800 m处。此类采动斜坡变形破坏演化过程可概括为：自然演化阶段—覆岩变形阶段—坡顶拉裂形成阶段—斜坡失稳破坏阶段;其变形破坏机制：采空—拉裂—蠕滑—剪断（倾倒）。     

多期次崩塌灾害的数值模拟研究

危岩体在西南地区分布广泛,易形成多次崩塌,为了研究在已经发生过崩塌灾害的地形上,后续崩塌落石的堆积特征,文中利用多期次崩塌模拟方法,能按照一定的概率反映出多次崩塌后崩塌堆积体的变化情况和威胁范围,补充了常规一次崩塌滚石计算结果的不足,为研究区后续一段时期内崩塌地质灾害的防治决策提供科学依据。文中以贵州省思南县徐家大塝崩塌为例,基于室内试验和数值模拟,结合GIS技术和三维崩塌软件进行危岩失稳的多期次崩塌数值模拟研究。利用物理实验获得的运动特征参数进行4个期次的崩塌数值模拟结果与野外调查结果基本吻合。通过多期次不同方量的模拟结果分析发现,几乎所有大粒径落石和大部分小粒径落石都停积在坡度小于35°的区域。90%以上的崩塌落石停积在废弃道路面30 m缓冲区内即居民区100 m外,落石在废弃道路往陡崖方向落石堆积百分比呈上升趋势;距居民区最近的大粒径落石主要在居民区平面距离60 m外,威胁居民区的可能性低,少量小粒径落石会滚落到居民区。文中的研究思路和技术方法对于多期次危岩崩塌方面的研究具有一定的参考价值和借鉴意义。     

岩溶区公路边坡监测TLS点云处理与3D场景构建研究

岩溶山区公路的工程地质条件极为脆弱,容易造成沿线边坡整体或局部滑坡,为保障岩溶山区公路的运营安全,对公路沿线易滑边坡进行定位监测分析是十分有必要的。选取云南九乡典型岩溶山区公路的一个易滑边坡作为实验监测对象,针对传统"点"式监测方法存在的不足,采用地面三维激光扫描(Terrestrial Laser Scanning,TLS)技术对该边坡实施了野外现场扫描并获得该易滑边坡现状的3D点云数据;基于I-Site Studio三维点云数据处理平台,开展了对该公路易滑边坡扫描获得的3D点云数据进行了配准、滤波去噪和空洞修复等预处理,以及精细化建模和三维场景构建等试验研究。整理得出了利用地面TLS技术进行岩溶山区公路易滑边坡3D点云数据采集、预处理和3D场景模拟分析等完整技术应用过程,并对TLS技术用于该实验区边坡监测的测量精度进行了评价。研究结果表明,相对于传统"点"式监测方法,地面TLS技术在岩溶山区公路沿线易滑边坡监测中能够获取更加丰富的空间三维数据,并构建出精细化的三维场景模型。     

汶川地震重灾区陇南寨子崖危岩体稳定性分析与防治对策

汶川地震诱发了大量的次生地质灾害,陇南寨子崖危岩体在地震过程中发生了较大规模的崩塌,震后局部崩塌不断,严重威胁着灾后重建安置点数百人的生命安全,因此准确判断该危岩体稳定性,并采取相应的处理措施尤为重要。在研究寨子崖危岩体所处地质环境及危岩失稳的诱发因素基础上,分析了该危岩体的分布规律及形态特征,并采用工程地质分析法和极限平衡法对该区几处主要危岩单体的稳定状况进行了定性与定量分析评价。经分析判断均处于不稳定状态,需进行工程治理。针对每个危岩单体的具体特征,提出了小规模清方+锚固+SNS主动防护等的联合治理方案。     

基于BOTDA的削坡作用下边坡破坏过程模型试验研究∗

在众多诱发滑坡的因素中,人工削坡引发的边坡失稳现象十分普遍。采用布里渊光时域分析技术(以下简称BOTDA 技术),通过模型试验和数值模拟分析,对削坡作用下的边坡变形机理及其演化过程进行了研究。由于传感光缆与土体之间的耦合性直接影响着监测结果的准确性,首先通过不同围压作用下的拉拔试验,掌握了传感光缆与土体耦合变形关系。然后,设计了坡顶加载试验模型,通过在水平向和竖直向植入传感光缆,实现对边坡模型在削坡作用下土体内部变形场的分布式监测。试验结果表明:水平和竖直向传感光缆监测到的应变异常区域与潜在滑动面位置相吻合,并被数值模拟所证实;在 BOTDA 监测数据的基础上提出了边坡模型水平特征最大应变值与安全系数之间的经验公式,对削坡作用下的边坡稳定性状态进行了评价,进而可对边坡失稳做出预警。     

崩塌体运动的全过程模拟及工程应用研究

基于颗粒流程序,建立颗粒-颗粒之间和颗粒-墙体之间线性接触刚度模型、滑动模型和带滞后阻尼性质的接触模型,对危岩体崩塌各个运动过程进行数值实验,得出一种比较理想的模拟方法和参数选取方法,对于研究含有多种运动形式的危岩体崩塌复合运动有一定的参考价值。结合工程实例,模拟危岩体自脱离边坡坡面到运动终止的全过程,并说明模拟方法的有效性,预测危岩崩塌体的滑落距离和任意位置处的速度,为选取合理的防治措施提供指导。