土石混合体地基系数支持向量机模型与应用∗

针对缺乏土石混合体地基系数评价模型这一现状,构建了基于支持向量机的土石混合体地基系数评价模型.该模型以土体弹性模量、泊松比以及块石含石率作为输入参数,地基系数作为输出参数.为建立训练数据,基于土石混合体弹性模量与泊松比计算模型,建立了FLAC3D平板载荷模型开展数值实验.基于数值实验数据,训练支持向量机模型并进行初步验证.将该支持向量机模型用于预测现场试验获得的土石混合体地基系数,进一步验证了该模型的合理性与准确性.通过敏感性分析发现,土体弹性模量对土石混合体地基系数的影响最大,其次为含石率.基于支持向量机模型,讨论了5种已有地基系数计算模型应用于土石混合体地基系数计算的可行性,确认了可用于评估土石混合体地基系数的显式模型.     

地震作用下土石混合体边坡稳定性分析研究∗

目前对边坡进行的动力分析多是针对土质边坡或岩质边坡,忽略了土石混合体边坡这一特殊岩土体边坡,而少有的研究中都是将土石混合体边坡简化为等效均质土坡,忽略了块石的存在。利用数字图像处理技术,建立某一实际土石混合体边坡的细观结构模型,利用有限差分软件 FLAC3D 的动力分析模块分析对比了等效均质土坡与土石混合体边坡在地震荷载作用下的变形及稳定性。结果表明：土石混合体边坡在地震作用下首先在坡脚处出现剪切破坏,随作用时间增加逐渐在顶部产生拉裂破坏,最终形成完整的破坏带;土石混合体边坡的滑面受石块位置制约,具有“绕石现象”;在相同地震荷载作用下,土石混合体边坡破坏区贯通比等效均质土坡慢,最终产生的永久位移比等效均质土坡产生的永久位移小,块石的存在增加了土石混合体边坡的抗剪强度,提高了其稳定性。     

块石空间定向性对土石混合体力学性质的影响

土石混合体作为一种土和石的特殊混合体,其宏观变形破坏及力学性质与块石的空间定向性密切相关。为了研究块石定向性对土石混合体变形破坏机理的影响,采用二维颗粒流软件中FISH语言编写算法生成不同角度的椭圆形块石,建立土石混合体二维颗粒流数值模型,分别进行了单块石和多块石条件下土石混合体双轴试验数值模拟,对其变形破坏机理进行了深入分析。结果表明:块石角度不同时,土体中裂纹萌生位置不同;随着块石短轴方向与最大主压力轴夹角增大,土石混合体黏聚力先减小后增加,内摩擦逐渐减小;在应力峰值前的应力平缓增长阶段,土体中裂纹迅速增长,在试样强度达到峰值后进入残余强度阶段,裂纹的增速也逐渐降低;块石角度不同时,土石混合体的剪切带破坏形式不同。     

基于较大块石分布位置的土石混合边坡稳定性研究∗

为了准确分析土石混合边坡的稳定性,克服传统有限元和颗粒流程序在分析土石混合边坡稳定性上的不足,提出一种基于原始土石混合边坡的图像识别和块石随机生成技术,运用此技术生成土石混合边坡模型,模型中较大块石的尺寸范围为0.1～0.3倍坡高,并采用强度折减法对5种不同较大块石分布位置的土石混合边坡的稳定性进行了分析研究。结果表明:不同的较大块石分布位置对土石混合边坡稳定性的影响较大,影响的大小关系为:坡脚坡面坡顶坡内坡后均质土坡;在同一较大块石分布类型下,不同的块石随机位置及排列方式对土石混合边坡的塑性扩展模式有着较大影响。研究结果可为土石混合边坡的设计及施工提供参考依据。     

均质土坝非平稳随机地震反应分析

考虑地震荷载的随机性及强度、频率的非平稳性,基于作者提出的适用于非平稳随机过程的一般随机地震动模型,采用虚拟激励法,建立了非平稳随机地震反应分析方法,并将其应用于某实际均质土坝动力分析中。土石坝及坝基体系采用整体有限元离散,坝体和坝基材料的动力非线性性能以等效线性化方法考虑。首先,基于目标加速度时程的强度和能量信息,确定了作为输入的加速度时—频演变功率谱密度;其次,比较了确定性时程动力分析和非平稳随机分析的结果,探讨了频率非平稳随机地震激励下的土石坝地震反应特性;最后,比较了2种不同坝基条件下的土石坝非平稳随机地震反应,探讨了频率非平稳随机激励下的土石—坝基动力相互作用。分析结果表明:地震动的频率非平稳性对土石坝动力反应有一定影响;坝体—坝基动力相互作用在地震过程中的不同阶段表现有所不同,主震阶段的相互作用显著。     

基于POT-GPD模型的地震巨灾损失分布研究

极值理论关注风险损失分布的尾部特征,通常用来分析概率罕见的事件,它可以依靠少量样本数据,在总体分布未知的情况下,得到总体分布中极值的变化情况,具有超越样本数据的估计能力。因此,基于GPD(generalized pareto distribution)分布的POT(peak over threshold)模型可更有效地利用有限的巨灾损失数据信息,从而成为极值理论当前的主流技术(以下简称,POT-GPD模型)。针对地震巨灾发生频率低、损失高、数据不足且具有厚尾性等特点,利用POT-GPD模型对我国1969年至2013年间的地震直接经济损失数据进行了统计建模;采用样本Hill图及区间筛选算法选取阈值,并对形状参数及尺度参数进行了估计。模型检验表明,POT-GPD模型对巨灾风险厚尾特点具有较好的拟合效果和拟合精度,为地震巨灾风险估计的建模及巨灾债券的定价提供了理论依据。     

基于不同破坏准则的火灾下钢筋混凝土板可靠性评估∗

为探究火灾下钢筋混凝土板的可靠性,计算了基于不同破坏准则下的可靠指标并进行对比评估。提出了一种随机有限元模型,考虑了火灾荷载与混凝土板设计中的多种随机参数,对钢筋混凝土板火灾下的热力学反应开展概率分析。首先,利用 ABAQUS 有限元软件对混凝土板建立精细化模型,将数值模拟结果与火灾试验数据进行对比验证。接着,利用 abaqus@python 脚本,结合 LHS 法抽样处理随机参数并生成随机模型,循环运算得到随机钢筋温度曲线、背火面温度曲线与跨中挠度曲线。最后,基于 MATLAB 蒙特卡洛法计算得到失效概率与可靠指标。 结果表明：提出的随机有限元模型能有效评估火灾下钢筋混凝土板的可靠性;以挠度变形为依据的破坏准则高估了钢筋混凝土板的临界温度;正常设计的钢筋混凝土板耐火极限为 90 min 的可靠指标为 1.88,评估火灾下钢筋混凝土板可靠性时需要考虑火灾发生的频率。     

基于随机森林的旱灾损失模型构建与应用——以河南省雨养小麦为例

定量刻画致灾因子和产量损失率之间的关系可以为农业灾损快速评估及风险评价、区域防灾减灾工作提供服务。以雨养小麦为例,筛选河南省雨养为主的县(有效灌溉面积占耕地面积比例大于等于0.6的县)为研究区。对研究区的历史小麦产量数据进行时间序列分解,得到趋势产量,进而计算产量损失率。基于游程理论利用小麦生育期内不同时间尺度的标准化降水蒸散指数(SPEI)进行河南省干旱事件的识别和特征分析。筛选出小麦减产且生长季内发生干旱的年份所对应的小麦损失率和SPEI数据构成样本数据。利用随机森林建立多尺度SPEI和小麦损失率之间的模型,并进行精度验证。研究结果显示:①河南省耕地范围上不同时间尺度的SPEI总体呈现干湿一致的趋势。河南省冬小麦全生育期识别出的干旱历时和干旱强度年均值的分布具有一致性。②本文建立的损失模型的平均绝对误差为0.069,均方根误差为0.083,模型精度能够满足产量损失预评估的要求,可以为产量损失快速评估提供参考依据。     

等效阻尼比对基于位移的抗震设计的影响分析

等效阻尼比是基于位移抗震设计中确定等效周期的一个关键参数。通过对不同研究者提出的等效阻尼比模型进行比较研究,重点讨论了滞回模型、延性系数和等效周期对等效阻尼比的影响。结果表明,不同等效阻尼比模型的总体变化趋势是一致的;滞回模型对等效阻尼比有很大影响,Ramberg-Osgood模型的等效阻尼比是Flagshaped模型的2.56倍;等效阻尼比随着延性系数的增大而增大,尤其在μ=2～4范围内变化幅度最大;短周期与中长周期等效阻尼比相差2倍多,故等效周期小于1 s时,必须考虑其对等效阻尼比的影响。     

考虑地形和土地覆盖影响的参数化台风风场模拟

现有参数化台风风场模型通常采用单一地表粗糙度假设,忽略地形和土地覆盖的影响,使得参数化台风风场模型不能真实反映台风风场。本文基于GTOPO30(Global Topographic Data of 30 arc seconds)全球数字高程数据和USGS(U.S.Geological Survey)全球土地覆盖数据,将地形地貌效应等效为地表粗糙长度,建立了受西北太平洋台风影响的东亚地区的地表粗糙长度空间分布;并对比验证了3个典型地貌的地表粗糙长度。然后,对参数化台风风场模型进行了适当修正,使其能耦合地形起伏对风场产生的抬升和沉降作用。以WRF(Weather Research and Forecasting)模式的模拟结果为基准,采用3个历史台风案例,考察了地形地貌对参数化台风风场模拟的影响。对比结果表明,考虑地形地貌效应可以显著提升参数化台风风场模型对台风空间结构的模拟能力。考虑地形地貌影响的参数化台风风场模型的模拟结果与实测结果吻合较好。     

高层建筑风致疲劳分析中的钢材强度退化模型∗

全寿命周期内风荷载长期作用下,钢结构中的钢材和节点将出现不同程度的累积损伤。风致疲劳损伤后结构的抗震能力必然发生相应变化,而疲劳累积损伤条件下的材料和节点剩余力学性能模型,是准确开展损伤后结构抗震性能评估的关键。鉴于此,通过贝叶斯理论,建立基于物理机制的钢材强度退化模型分析方法。首先,收集高周疲劳预损伤钢材强度退化的试验数据,并选取常用的强度退化模型,通过贝叶斯更新准则确定了退化模型参数的后验估计值。其次,基于钢材强度退化模型,给出了确定风致疲劳劣化焊接梁柱节点弯矩和转角骨架曲线的分析方法。结果表明：(1)疲劳累积损伤条件下的传统钢材强度退化模型离散性大,且缺少必要的数学和物理依据,而基于贝叶斯理论的强度退化模型可有效弥补这一缺陷;(2)相同试验数据,不同强度退化模型得到的结果差异性较大,且不存在普遍适用的最优模型。通过贝叶斯理论建立的钢材强度退化模型,可有效考虑材料型号、试件尺寸、疲劳荷载模式和加载机制等多种因素对试验结果的影响,且可借此反映风致累积损伤对结构性能退化的影响,有助于提高风致疲劳损伤后高层钢结构建筑地震风险评估结果的可靠性。     

基于混凝土细观结构的钢筋混凝土结构耐久性分析

根据观测水平的不同,混凝土的数值分析尺度通常分为宏观、细观和微观三个层次。由于混凝土各相组成材料孔隙结构的差异性,特别是荷载作用下裂缝和微裂缝的出现,进一步增加了混凝土材料的非均匀性,因此采用基于宏观均质假定的分析方法将无法模拟材料的内部结构。在细观层次上,混凝土看作由硬化水泥浆体、骨料及其界面黏结带组成的三相复合材料。基于混凝土的细观结构,本文提出了适用于物质扩散的细观格构网络模型。该模型运用Voronoi技术划分网格的随机性特点,在网络模型中随机产生裂缝的位置及方向,采用不同类型单元来描述混凝土各相组成材料的扩散性能。通过对开裂混凝土内氯离子扩散过程的数值分析表明,基于混凝土细观结构的数值分析方法是开展钢筋混凝土结构耐久性分析的有效手段。     

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面特征及工程应用

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面的合理确定对于围岩压力计算及支护结构设计极为重要。本文基于隧道开挖诱发地层不均匀变形特征与顶板岩层发生张拉剪切破坏的关系,采用Peck曲线方法和数值方法来确定顶板潜在滑移面特征,进而研究了隧道覆跨比、围岩参数变化对滑移面特性的影响,并应用于实际工程。结果表明:(1)基于Peck曲线和数值分析方法来确定浅埋隧道顶板岩层潜在滑移面的形态与实测结果一致;(2)浅埋隧道顶板岩层的等效破裂角仅在围岩黏聚强度较低条件下才符合45°+φ/2,围岩级别越好,破坏范围越小,滑移面形态呈平缓的"S"型;围岩越差,破坏范围越大,滑移面形态呈竖直的"椭圆"型。随着隧道覆跨比、侧压力系数及抗剪强度指标的增大,等效破裂角呈减小趋势。地表开裂点随着覆跨比和侧压力系数增大而逐渐远离隧道轴线,随着岩体强度指标的增大而逐渐向隧道轴线迁移。     

浅埋小净距隧道掘进爆破引起的地表振动特性模拟分析

基于隧道钻孔爆破时岩体的破坏过程及应力波传播特性,提出了能用于快速计算模拟爆破地震场的等效荷载施加方法。采用等效荷载施加方法对重庆双碑隧道浅埋段掘进爆破时的地表振动进行了数值计算,并将数值计算结果与现场实测振动数据对比分析,验证了该等效荷载施加方法用于模拟计算地表爆破振动特性的可行性。最后,通过计算浅埋小净距隧道两侧隧道掌子面处于不同位置关系时的地表振动情况,得到非主爆隧道开挖后形成的空洞区将对其上部的地表振动强度具有一定的放大作用,且放大倍数与该隧道掌子面同主爆隧道掌子面间的位置相关。     

自适应变尺度干旱评价模型研究——以淮河流域为例

该文建立了自适应变尺度干旱评价模型,解决了定尺度评价中的干旱过程割裂和强度低估等问题,并实现不同历时干旱事件的评估和对比。首先,构造自适应模糊标准矩阵,采用模糊评价方法进行定尺度下的干旱评价,并基于对立统一定理进行干旱的识别,在此基础上,对识别的干旱过程进行回归分析和频率分析,从而建立自适应变尺度干旱评价模型。以淮河流域为例,首先构建自适应矩阵进行干旱的模糊评价,结果表明淮河流域55年来总体处于干旱且有着明显加强的趋势,其中‘王蚌区间北岸’的西北部和‘湖西区’的西北部干旱较强。其次通过干旱识别发现淮河流域干旱历时和干旱强度具有较强的相关性且满足自东南向西北逐渐增强的规律。最后建立不同分区下干旱历时和干旱强度间的关系以及判断标准,构建淮河流域自适应变尺度干旱评价模型。     

强风环境非平稳风速模型及应用

提出了强风环境非平稳风速分析模型。该模型将风速记录分解为时变平均风和零均值平稳脉动风分量两部分,给出了经验模型法确定时变平均风的步骤并重新定义了风特性参数的计算公式。分别采用非平稳和平稳风速模型进行了1 851小时实测强风资料的风特性参数计算并做了对比分析。结果显示非平稳模型计算得到的紊流强度和积分尺度较平稳模型小,而平均风速及相干函数的衰减系数则相当接近,非平稳模型较平稳模型更适合描述强风特性。     

洪涝灾害后不同尺度滨河生态景观规划模型构建

为解决滨河生态景观规划结果易出现误差的问题,考虑洪涝灾害对滨河生态景观的破坏性,构建洪涝灾害后不同尺度滨河生态景观规划模型。从生态学领域中尺度效应的定义分析尺度效应,在尺度外延的维度上将尺度划分为空间尺度、时间尺度和组织尺度,基于三个尺度构建以滨河可规划生态景观群空间尺度信息特征为基础的滨河生态景观空间尺度规划模型与非空间尺度(时间尺度和组织尺度)规划模型。实例分析结果显示,所构建模型能够准确、全面提取滨河可规划生态景观群空间尺度信息特征,提升土地利用率,实现滨河生态景观规划的科学化、多样化、人性化。     

基于实测台风数据的超高层建筑非线性计算

基于从有限元模型导出的多自由度系统和实测台风数据，对深圳地王大厦进行了非线性数值模拟。比较研究了振幅相关阻尼与一系列常数阻尼对各种强度的台风激励下结构响应的影响。探讨了振幅相关阻尼的等效常数阻尼的存在性和特点，它与激励强度的关系和在脉动风平稳和非平稳条件下的特点，以及用它来进行超高层结构设计时可能会遇到的问题。     

冻土随机性研究现状及展望

基于国内外近些年对土体随机性问题所取得的研究成果,分别从影响冻土随机性的内外因素、冻土参数的概率分布规律和随机场计算模型等几个方面总结了随机性的研究现状及进展,取得了如下认识:(1)由于内外因素的影响,冻土物理力学参数、水分场参数等均存在很强的变异性;(2)分析总结了随机变量的概率函数推断方法,相比而言,正态信息扩散法能够有效地描述随机变量的波动性;(3)总结了随机性描述方法,发现随机场方法不仅能考虑随机变量的空间性,而且具有较好的应用前景;(4)总结分析了冻土随机场的计算方法,其中,随机有限元法能够充分考虑材料参数的随机性,具有较好的应用前景。基于以上对冻土中随机性研究现状的认识,笔者认为今后还需展开更深入的研究:对冻土中涉及的参数分布规律进行充分的研究;对冻土冰水相变过程中的随机过程进行深入分析;开展冻土水、热、力及水、热、力、盐等多耦合场、多尺度随机场的研究。     

基于局部软化阶梯双折减法的土坡稳定性研究∗

强度折减法是边坡稳定性分析中广泛使用的数值计算方法,传统整体强度折减法对黏聚力和内摩擦角采用同一系数进行折减。由于两强度参数发挥作用先后以及衰减程度的不同,传统整体强度折减法不能真实的反映土体渐进破坏过程,一些学者提出运用双折减法来探究边坡的破坏问题。基于土体应变软化特性,通过土体的峰值与残余强度建立起黏聚力和内摩擦角之间的关系,将得到的强度参数关系式作为双参数折减组合的依据。该方法以破坏接近度作为判别土体是否破坏的标准,引入局部阶梯折减的思想,对局部破损区域(FAI＞0.8)采用不同的折减组合,研究均质土坡的渐进破坏过程。计算结果表明,局部软化阶梯双折减法可以体现两强度参数发挥作用的先后顺序,整理出两参数间的关系式为一次函数,自变量对应的参数先发挥,因变量对应的参数后发挥;在算例中,黏聚力的折减系数大于内摩擦角的折减系数,黏聚力的强度储备比内摩擦角大,发挥得较为充分;模拟计算出的破损区面积以及边界处的塑性应变差值更加连续、平稳;阶梯双折减方法得到的综合安全系数小于整体折减法的安全系数,在工程应用上偏于安全,与其他学者得出的结论一致;受网格密度的影响,综合安全系数的范围为 1.207~1.229,该范围可为工程设计和施工提供参考。