泥石流防撞墩冲击力理论计算方法

在西部泥石流多发区,交通线路经常需要穿越泥石流沟,设置在泥石流沟床中的桥墩容易遭受泥石流大块石的冲击,为此,常常在其前端设置泥石流防撞墩,以达到保护桥墩的目的。防撞墩设计的关键参数是泥石流大块石的冲击力。目前,有关泥石流冲击力的计算方法都比较粗糙,计算结果与实际情况不符。本文以Thornton理想弹塑性接触模型为基础,并考虑防撞墩的弯矩变形特性,根据能量守恒定律,推导了泥石流大块石冲击力的计算公式。结果表明,考虑结构弹塑性特性后,泥石流大块石冲击力大大降低,远小于按弹性冲击理论所确定的冲击力,计算结果更符合实际情况。     

颗粒流冲击力研究现状及讨论∗

颗粒流包括滑坡、泥石流、碎屑流、雪崩等,通常对桥梁、公路、居民区具有较大危害。分析了颗粒流的运动过程及其侵蚀、堆积和爬高等特性;此外,对颗粒流冲击力计算模型及其野外观测结果进行阐述。结果表明:现有冲击力计算模型认为冲击力在结构全断面呈均匀分布,忽略了颗粒流的运动特性对冲击力的影响;大块石冲击力计算忽略了颗粒破碎和浆体垫层效应对冲击力的影响,造成巨大的计算误差;由于传统传感器的缺陷,现有野外观测结果也存在较大误差。对此本文提出野外观测需要通过引入或开发新式压力传感器以得到更准确的颗粒流冲击力大小及其分布形式,从而更精确的修正理论模型;理论计算模型研究工作需要考虑颗粒流浆体的垫层效应、流体与基底的相互作用及块石冲击破碎等对流体冲击力的影响,从而推导出更准确的冲击力计算模型,指导工程实际。     

基于压电纤维复合材料的风沙冲击力传感器研究∗

沙尘暴是一种多发于沙漠等干旱地区的灾害天气,建（构）筑物常受其影响被侵蚀甚至产生破坏,这种破坏的本质是风沙两相流中沙粒对结构表面冲击产生细微损伤的积累。为了深入探索这种风沙两相流对结构的冲击作用和沙粒冲击力在结构表面的分布规律,研究了采用压电纤维复合材料作为力传感器来测量风沙流场中沙粒冲击力的方法,通过标定试验建立了压电传感器所受沙粒冲击力与其输出电信号之间的数学模型,构建了基于压电纤维复合材料的风沙冲击力传感器。分别采用高频测力天平和压电传感器测量低矮房屋迎风面在风沙风洞试验中所受到的沙粒冲击力,验证压电传感器测量沙粒冲击力的适用性和准确性。结果显示：两种测力方式的结果总体相差在-4.72%~5.80%,两种试验结果吻合良好;建筑物迎风面内侧所受到的沙粒冲击力大于外侧所受到的沙粒冲击力,沙粒冲击力的分布与表面风压力分布具有一定相关关系。研究成果可为结构防风沙灾害的相关研究提供参考。     

双线地铁盾构隧道的拟静力弹塑性抗震分析∗

目前地铁抗震设计规范中常用的地下结构抗震设计方法主要是位移响应法和应变传递法。这两种方法都是基于弹性假设,不能体现土体和地下结构的非线性。在刘晶波提出的地下结构Pushover分析方法的基础上,利用自主编制的一维土层地震反应分析软件APALS给出了随着地震动幅值增大而逐渐变化的地震荷载加载模式,并针对实际的双线地铁盾构隧道进行了拟静力弹塑性抗震分析,对其抗震性能进行了评价。结果表明:(1)隧道内力趋于一个极限值;(2)隧道的内力在θ=45°、135°、225°和315°的位置最大;(3)在隧道尚未破坏时,隧道周围的土层已经先达到破坏状态。     

基于落石棚洞冲击试验的落石冲击力研究

基于落石棚洞冲击试验,考虑不同落石重量、高度和冲击角度对落石冲击力的影响,分析了落石冲击力在这三个因素影响下的变化规律,发现落石高度与棚洞顶板倾角共同变化时,随着落石高度的增加和棚洞顶板倾角的减小落石冲击力增大,增大幅度达80.02%;落石高度与重量共同变化时,当落石重量较小,落石冲击力随着落石高度增加后的变化幅度较小,反之较大,最大值较最小值的增大幅度达182.10%;棚洞顶板倾角和落石重量共同变化时,落石重量比棚洞顶板倾角对落石冲击力的影响大,增大幅度达48.99%。然后基于正交试验分析发现落石重量是影响落石冲击力最重要的因素,其次为落石高度,最后为棚洞顶板倾角。最后通过回归分析获得了棚洞落石冲击力计算公式,并通过方差分析证明了棚洞落石冲击力计算公式与各因素间的回归关系高度显著,因此该公式可用于落石棚洞设计时冲击力的计算。     

基于弹塑性时程分析的结构地震倒塌时间研究

地震过程中建筑倒塌前的时间段,是人员逃生的重要阶段,研究结构地震倒塌时间规律对人员倒塌逃生避险有重要的意义。针对地震逃生方法研究的需要,基于RC框架结构的典型倒塌模式建立简化结构模型;将60条不同特性的人工地震波输入到8个结构模型得到弹塑性时程分析结果,再以结构损伤指数为1的条件求得结构地震倒塌时刻;利用假设的双重调节模型和回归分析方法,对地震波峰值加速度、特征周期和结构自振周期等因素与倒塌时间的关系进行了研究,结果表明,特征周期和结构自振周期在峰值加速度对倒塌时间的影响中存在双重调节效应;整理已有研究文献的倒塌试验结果与回归模型对比,验证弹塑性时程计算对倒塌时间估算的可行性。     

利用冲击力信号判断泥石流颗粒垂向分选的试验研究

分别提出根据冲击力数据的波动强度和峰值情况进行泥石流颗粒垂向分选研究的系统方法,并配置了三组不同容重(2 095 kg/m3、2 008 kg/m3和1 960 kg/m3)的粘性泥石流样品开展泥石流冲击试验。两种方法的分析结果基本一致,即容重为2 095 kg/m3的泥石流分选不明显,其他两组泥石流呈现出正粒序分布且容重越小分选越显著。量纲分析表明,开展的试验粘滞力在运动中起主导作用,颗粒之间作用力较小,不容易发生反粒序分选,这与通过冲击力分析颗粒垂向分选的结果一致,因此提出的利用冲击力信号判断泥石流颗粒垂向分选的系统方法具有适用性。     

化学溶蚀及冻融循环作用下砂岩的力学特性研究∗

选取云南的砂岩作为试验岩样,研究砂岩经过化学溶蚀及冻融循环作用下的力学特性。通过对砂岩在3种水化环境(PH=3的HCl溶液、PH=7的水溶液、PH=12的NaOH溶液)作用后分别进行循环冻融试验,并在不同冻融循环温度 (-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃、-50 ℃)作用下对试样进行单轴压缩试验和三点弯曲试验。结果表明：砂岩经过化学溶蚀和冻融循环作用下的劣化损伤模式主要受冻融循环温度及不同水溶液影响,在不同的水溶液中,单轴抗压强度、弹性模量、应力峰值和断裂韧度均随着冻融循环温度的降低而逐渐降低;HCl溶液浸泡后的砂岩损伤变量最大,而在对砂岩有修补作用的NaOH溶液中出现了负损伤的变化。     

基于地层⁃注浆体⁃管片协同作用的海底盾构隧道受力研究∗

为研究海底盾构隧道中浆液与围岩及管片的相互作用特性,以厦门地铁2号线海底盾构段为工程背景,采用数值模拟方法和现场实测方法,分析注浆的浆液凝固过程,重点研究浆液的抗压强度、刚度、收缩、蠕变等特性对隧道力学和变形的影响特征,以及不同地层分布、不同隧道埋深下的管片受力特征,并采用流固耦合研究海水位变化对管片受力的影响。计算研究表明:注浆材料的刚度比E1/E28对管片最终轴力和围岩压力影响小,变化幅度不超过0.885%,对地层变形影响相对较大,可通过添加剂调节凝结时间,尽量让浆液早一些凝固硬化;最终收缩应变增大,隧道内力和外侧压力降低,地层沉降增大,建议采用泌水率低的浆液,且其收缩值需控制在较小的范围内;蠕变参数取值对管片轴力影响较小,变化幅度最大不超过1.35%;收缩参数主要考虑注浆材料后期的凝固收缩,蠕变则主要考虑注浆材料前期的蠕变收缩;地层变化及隧道埋深变化对隧道管片受力影响显著,隧道拱顶若软土较厚,则不易形成有效压力拱,导致围岩压力荷载较大;半日潮对地层变形、管片受力的影响不大,总体发展趋势与静水位条件下相似。最后,监测结果表明,数值模拟与实测的管片水土压力时程变化规律基本一致。     

基于分数阶微积分及改进弹塑性体的流变模型北大核心CSCD

为了减少流变模型元件个数并提高模型描述岩石非线性流变特征的能力,从改进一种弹塑性体元件入手,在考虑岩石残余强度的基础上,引入损伤变量修正系数,得到改进后的弹塑性体元件。同时引入由分数阶微积分表征本构关系的软体元件,将其与弹簧元件并联构成分数阶开尔文模型。由改进的弹塑性体元件串联分数阶开尔文模型,即可得到一种新的三元件流变模型。以大理岩单轴蠕变试验数据为例对模型进行验证,结果表明三元件流变模型具有较好的模拟精度及良好的应用前景。     

基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究

基于渗流场与应力场耦合机理,对柿竹园野鸡尾尾矿坝进行稳定性研究。研究渗流-应力的耦合效应,提出了渗流-应力耦合以及渗流体积力计算的实施方案;建立二维的有限元渗流-应力耦合计算模型,分析了考虑耦合效应时的尾矿坝渗流场、位移场、应力场;最终分析了不同耦合关系对于渗流量、位移场、等效渗透集中力以及应力场的影响。研究结果表明:当前水力条件下,尾矿坝稳定性良好;尾矿坝主要受水平渗透力作用,初期坝坝顶、坝脚以及坝底等处应力集中;尾矿坝的渗流-应力作用不容忽视,不同的耦合关系对于x方向位移、渗透力的预测影响巨大;考虑渗流-应力耦合关系得到的主应力、剪应力以及竖向位移,比不考虑耦合效应时大。     

泥石流堵塞坝溃决模式实验

为了研究泥石流堵塞坝溃决的模式,采用模型实验对堵塞坝溃决的过程进行模拟,实验历时2个月,共13组.实验中,通过改变主沟的水力参数和坝体参数研究泥石流堵塞坝溃决的全过程,并作了相关记录.通过对理论和实验数据的分析,泥石流堵塞坝的溃决形式有3种:冲刷溃决、有表面流的泥石流堆积体水力再启动、没有表面流的泥石流堆积体重力再启动.讨论了冲刷溃决中颗粒启动和有面流泥石流水力再启动的临界条件,并分析了启动流速u0和颗粒粒径D之间的关系;分析了泥石流重力再启动时堵塞坝坡面破坏的一般形式和特征;通过实验数据对不同溃决形式的溃决条件进行了验证,结果比较吻合.     

大型铝土排泥库堆石坝地震动力响应分析∗

排泥库是一种具有高势能的人造泥石流危险源,一旦发生溃坝,将对下游群众生命财产安全造成重大威胁,而地震灾害是尾矿坝事故的第二大元凶.采用ADINA有限元软件建立考虑坝库作用动力响应分析计算模型,探究尾矿泥浆物理性质、排放量和坝体尺寸对排泥库堆石坝的动力响应影响规律.结果 表明,坝顶位移峰值随着尾矿泥浆含水量下降呈近似线性降低规律,含水量在120％～80％下降时,位移峰值的降幅明显增大;随着尾矿泥浆排放高度的增加,坝体加速度减小而位移峰值增加,当尾矿泥浆排放液面高于0.4倍坝高时,坝顶位移峰值增幅变大.随着坝体坡比、坝高、坝顶宽度的增加,坝体的加速度峰值减小,位移峰值增加,当坝体高度大于44 m时,坝顶位移峰值增幅明显增大.研究成果可为排泥库堆石坝动力稳定性分析和抗震设计提供理论指导.     

龙羊峡水库地震溃坝的可能性及溃坝洪灾程度的分析

讨论了龙羊峡库区将来发生大地震的可能性;分析了万一产生溃坝的灾害链问题。计算了其溃坝后洪水到达下游贵德县、康扬镇、尖扎县、循化县和兰州市的洪水最大流量、洪水起涨时间和消退时间。     

重型车辆撞击桥墩的破坏模式及抗撞性能分析

基于数值仿真技术建立重型车辆-桥墩碰撞有限元模型,对不同参数下桥墩的瞬态响应和破坏模式进行参数分析,研究参数主要包括桥墩直径、碰撞速度、车辆碰撞偏心距、上部结构的有效参与质量和箍筋间距等;讨论了规范建议的桥墩抗撞能力计算方法,并分析了其实际抗撞能力。研究结果表明,车辆高速撞击下桥墩的破坏形式以剪切破坏为主。由于车辆撞击下桥墩的动力效应十分显著,截面最大动态抗剪强度约是静态抗剪强度设计值的4倍。上部结构的参与质量对桥墩的破坏模式具有一定影响;配箍率的增加对抗撞能力的贡献比较有限;截面尺寸对桥墩抗撞能力的影响最为显著。20ms平均处理时的碰撞力峰值与桥墩截面抗剪需求比较一致。     

基于粒间接触关系的饱和砂土液化特性研究∗

为了研究饱和砂土的液化机理,通过等体积加载的方式建立了循环荷载下饱和砂土动力响应的颗粒流计算模型,研究了饱和砂土在不同围压和加载幅值下的动力响应,探讨了颗粒间力链的发展特性,并从Shannon 熵、Boltzmann 熵以及Clausius 熵的基本关系入手,建立基于粒间接触力链的饱和砂土颗粒熵计算方法,分析了颗粒熵发展特性。结果表明：饱和砂土初始总力链主要受围压的影响,围压越大,初始总力链越多;循环荷载下饱和砂土颗粒间力链总数逐渐降低,且强力链持续向中、弱力链转换;循环荷载下饱和砂土颗粒熵表现出先升高后降低的二阶段特性,围压和加载幅值对颗粒熵峰值无明显影响,各工况的颗粒熵峰值均为0.92;定义颗粒熵峰值为相变颗粒熵,相变颗粒熵时的饱和砂土表现出固液临界态的力学特征,指示了饱和砂土由固态向往返液化状态转变的临界点。     

基于能量耗散过程的拦砂坝泄流孔堵塞判别研究∗

泄流孔堵塞对坝体结构稳定和长期安全运行有着极大的影响。现拦砂坝泄流孔的设计大多基于经验,缺乏定量分析方法。基于泥石流在泄流孔中的能量耗散过程,提出了基于获取必要参数情况下的泄流孔堵塞判识方法,分析了泄流孔设计参数和泥石流性质对堵塞的影响。进一步通过对比验证了判别方法的合理性,可将误差控制在 15% 以内。最后应用该法对四川省绵竹市文家沟的拦砂坝泄流孔进行了分析,结果表明该坝泄流孔较易发生充满全孔的泥石流停淤堵塞,与实地勘察结果一致。根据理论分析,为保证泥石流的顺畅排导,建议在该坝前布设能量调控设施,调控进入泄流孔的泥石流流速使其控制在合理范围内。     

汶川8.0级地震震区溃决型和一般型泥石流冲出量研究

汶川8.0级地震后,震区在强降雨作用下不仅诱发形成大量的一般暴雨型泥石流灾害,还诱发形成危害性更大的溃决型泥石流。通过泥石流勘查应急报告和野外实地调查,核实选取了汶川震区9条溃决型泥石流沟和34条一般型泥石流沟冲出量的相关参数作为样本数据,先对汶川震区溃决型泥石流的特征进行分析总结,其次对比分析汶川震区溃决型泥石流与一般型泥石流冲出量的特点及其是否堵江的原因,结果表明溃决型泥石流冲出量较一般型泥石流要大出几十倍,且比一般型泥石流更易造成堵江。最后建立一般型泥石流冲出量多因子统计预测模型,提高了一般型泥石流冲出量普遍预测模型的精度,验证显示该预测模型对汶川震区一般型泥石流冲出量的预测具有科学有效性。研究结果为进一步深入研究震区溃决型泥石流提供理论依据,也为震后灾区一般型泥石流的减灾防灾工程设计提供计算方法。