Bed shear stress evaluation in combined sewers

Experiments have been undertaken on two sewer trunk lines in order to identify an accurate and practical technique for estimating bed shear stresses in combined sewers. Various methods were tested to determine both local bed shear stress values (one based on the logarithmic velocity profile and the other on the Reynolds shear stress distribution) and mean bed shear stress values (using a method based on the energy slope). Velocity measurements were performed using a micropropeller and an Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) under dry weather flow conditions. In sewers without sediments, both the wall law and Reynolds shear stress distribution methods lead to the same bed shear stress estimation. A method based on the logarithmic velocity profile obtained by micropropeller is proposed herein to evaluate local shear stress in combined sewers. Calculations based on channel slope lead to an over-estimation of bed shear stress due to the inaccuracy of bed slope data. If the energy slope S _c , as calculated from the Darcy-Weisbach or Manning formula, is used to calculate the mean shear stress in sewer sections without sediments, results are consistent with the local shear stress measurements.     

Geobag stability for riverbank erosion protection structures: Numerical model study

Flexible, sand-filled, geotextile bags (geobags) have been used in both India and Bangladesh along the banks of the Brahmaputra for protection against riverbank erosion. Geotextile containers have been researched extensively for their use in coastal structures; however, there is a gap in knowledge of the application of smaller geobags used in riverbank protection structures. In 2018, flume experiments (scaled 1:7) were performed to study the incipient motion of geobags and the methodology for sizing geobags. Building on the data collected from the flume experiments, numerical models have been employed to gain further insight into the hydraulic forces acting on the bags. The numerical models have been created using ANSYS CFX. While there is not enough data to obtain a Shields parameter which can be used for design purposes, initial estimates find the Shields value for geobags lies around 0.09, which is much larger than the value for rocks, around 0.045. The results from this study suggest that the Shields parameter varies with fill percentage of the bags. This paper also presents first results on the roughness of underwater geobag aprons.     

Prediction of boundary shear stress in circular and trapezoidal channels with entropy concept

Relying on the power law to develop new relationships, the present study developed the Shannon entropy concept to predict shear stress distribution. The presented method was evaluated and compared with valid laboratory results and the shear stress distribution surveyed through this concept in circular, circular with flat bed and trapezoidal channels. By increasing the flow depth in circular channels, the model presented herein gives an improved prediction of shear stress distribution, while in circular channels with flat bed it is better in predicting shear stress both at lower flow depth and subcritical flow conditions. In comparison, in trapezoidal channels the model is much better in predicting the shear stress distribution at lower flow depths. Accordingly, with a mean error percentage of 1.99% in circular channels, 3.69% in circular channels with flat bed and 4.1% in trapezoidal channels, this novel model shows good ability in predicting shear stress distribution.     

水平荷载作用下的路面结构应力

从一种新的角度重新研究路面结构层受水平荷载作用时的剪应力这一路面专业的经典课题。采用四边形截面轴对称环状单元的有限元方法 ,给出了单元刚度矩阵公式、单元划分及结点编号方法。结合路面结构实例计算了受水平荷载作用时剪应力沿深度的分布。通过分析计算结果 ,提出水平荷载大小、结构层特性及不同荷载图式等因素对路面结构层中应力产生的作用规律。总结了提高路面抗剪能力应采取的措施。这些结论可以作为设计施工的指导原则     

初始剪应力对外海回填土壤动态特性之影响

采用云林离岛工业区外海料源区土壤为试验用砂,考虑现有回填地之土壤条件,采用湿捣法制试样,探讨不同相对密度、有效围压应力及固结应力比等因素,进行一系列共振柱试验,以评估回填土於初始剪应力作用下之土动态特性。由试验结果分析得知,回填土壤之剪切模量有随固结应力比与有效围压应力之增加而增加之趋势,而最大剪切模量( Gmax) 亦随固结应力比与有效围压应力之增加而增加,同时不受初始相对密度不同之影响。另回填土壤因固结应力比所引致之最大剪切模量增量远大于孔隙变化所引致之增量。但固结应力比与有效围压应力对阻尼比之影响则较不明显。同时本研究在Hardin 与Richart(1963) 所建议之评估方式基础上进行修正,对云林外海土壤建立非等向压密条件下,最大剪切模量与不同剪应变所对应之剪切模式经验公式,可提供回填造地设计、施工及抗震分析之参考     

极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨

运用数值模拟分析方法,研究煤柱支承压力在底板的分布规律.研究结果表明,煤柱底板的应力分布具有明显的非均匀分布特征,应力集中程度最高地方在煤柱下,向采空区发展则应力集中程度迅速降低;分析非均匀荷载状态下巷道易于变形和破坏的原因,得出在非均匀的荷载作用下,巷道支护体结构更易出现局部过载,产生局部破坏,最终可能导致支护体结构失稳.指出在布置下部煤层回采巷道中,除避开煤柱支承压力增高区外,还应考虑煤柱下底板应力分布状态非均匀性的影响,应力分布状态的非均匀分布特征可用应力改变率衡量.提出采用应力改变率确定极近距离下部煤层回采巷道的合理位置方法,并通过现场实践证明该方法可行.研究结果对类似条件下巷道合理布置具有一定指导意义.     

改扩建公路岩质高边坡爆破开挖稳定性分析

为研究不同爆破开挖方式对岩质高边坡稳定性的影响,依托京沪高速公路改扩建工程,建立岩质高边坡爆破荷载时程曲线,研究了边坡采用同时起爆和微差爆破两种起爆方式的动力响应特征,对比分析了两种起爆方式的安全系数以及质点速度变化规律。结果表明:采用修正的爆破荷载常量B计算等效爆破动载的方法,研究爆破作用下的岩质高边坡的稳定性是合理可靠的; 采用微差爆破边坡稳定性较高,边坡的安全系数随等效爆破动荷载的施加呈现出递减的周期性变化,在等效爆破动荷载F达到最大值F_max和0.6F_max时所对应的安全系数为极小值点; 各质点的速率变化与爆破动荷载的施加有同步变化,随着质点距爆破区的距离增加,规律逐渐减弱,仅在最大值附近出现峰值振动,而同时起爆的各质点的速率要大于微差爆破,不利于边坡开挖,各测点之间的峰值依次出现了递减和滞后的现象; 采用微差爆破在爆破区附近出现了应力集中现象,局部剪应力大于岩体的抗剪强度,产生剪切破坏,爆破前后的位移监测差值较小,取得了良好的松动作用,岩体出现局部裂隙,应注意后期及时支护。     

高铁无碴轨道路堑基床换填厚度与动力稳定

 针对武广高速铁路无碴轨道红黏土路堑基床换填厚度的确定问题,基于室内动力试验与现场动力响应测试成果,分别采用临界动应力法、动剪应变法初步评价红黏土路堑基床的长期动力稳定性,给出同时满足动强度和动变形条件的基床最小换填厚度理论值。在此基础上,综合考虑铁路路基构造要求、实测路基动响应影响深度、红黏土的特殊工程性质、安全储备等因素,给出便于工程应用的红黏土路堑基床最小换填厚度建议值。含水比、围压对基床换填厚度的影响表现为：换填厚度随含水比的增大而增大,随围压的增大而减小。对比分析表明：如果高铁无碴轨道路基满足动变形条件,则动强度条件就自动满足;动变形是高铁无碴轨道路基长期动力稳定的控制因素;动剪应变法是一种优于临界动应力法的高铁无碴轨道路基长期动力稳定性评价方法。研究成果为高速铁路无碴轨道路堑基床换填厚度的确定提供新的思路。     

地应力对深大竖井稳定性影响研究

长大公路隧道通风竖井通常建设在地应力作用的岩体区域,地应力状态是影响竖井工程稳定性最重要的因素之一。为探明高地应力状态对深大竖井围岩的应力演化和变形规律的影响,依托米仓山特长隧道通风竖井工程,采用数值模拟对不同应力系数的竖井施工过程进行分析,研究了不同应力条件下大断面竖井沿不同深度的围岩应力特征及径向位移规律。研究结果表明:相差较大地应力系数对围岩位移分布规律产生较大影响;围岩径向位移与围岩级别及竖井深度呈正相关性,围岩级别变差比竖井深度增大对围岩径向位移的影响更为明显;但当竖井深度超过200 m时,随地应力系数增大竖井径向位移速率急剧增大;不同围岩级别条件下随竖井深度和应力系数的增大,径向应力和切向应力都呈增大趋势,但增大趋势较平缓;研究成果可为类似竖井工程的科研、设计和施工提供参考。     

大型土与结构相互作用恒刚度直剪试验装置研究

已有的土与结构接触面室内剪切试验多集中在恒荷载和恒位移加载条件下接触面力学特性的研究,而预制桩基础沉桩过程中桩土界面受力条件与恒刚度加载类似,即桩土界面法向应力随桩周土体法向位移是动态变化的。针对目前黏性土中桩土界面大型恒刚度的试验手段比较缺乏,自主设计研制了一种大型恒刚度直剪仪用于桩土界面力学特性的测试。该直剪仪考虑了桩周土体变形特点,剪切过程中桩土界面接触面面积始终保持不变,能够准确模拟桩土界面剪切试验;采用弹簧组加载系统和数控电机控制系统,法向可提供恒刚度边界条件,水平切向可按位移控制,能够实现桩土界面上直线和循环剪切的加载路径。试验结果表明:该直剪仪能够很好地再现黏性土中桩土界面在恒刚度加载条件下直线剪切的力学响应,为静压桩沉桩过程的桩土界面力学特性的研究提供了基础。     

巷道开挖面抗剪承载结构形成和蠕变规律研究

为掌握深部软岩巷道应力承载结构的形成机理和发生剪切蠕变失效规律,通过研究巷道抗剪力学承载结构划分方法和形成特征,掌握该承载结构的空间效应和蠕变效应。以开挖面附近围岩为研究对象,利用工程实测开挖面附近不同区段围岩应力场和裂隙场分布规律,探讨空间效应影响下围岩抗剪承载结构形成机制;通过理论分析方法,基于统一强度准则和岩石三线段力学模型,获得开挖后软岩巷道次生应力场、位移场的定量解析式,推导“弹塑性”位移释放后围岩蠕变定量解析解。由算例结果可知,不同区段围岩承载结构演化规律受空间效应影响较大。最后,根据围岩抗剪承载结构蠕变失效特征,提出动态补强支护方案。     

Mindlin位移解推求锚固段侧阻力分布方法中的奇异性问题

基于弹性半无限空间的Mindlin位移解推求锚固段侧阻力分布,是一种力图以数理力学理论模型严格推导的研究思路,但不同解法间结论相异,与工程实际也相差较大。针对其原因,通过建立普适的求解侧阻力的积分方程进行理论分析。发现Mindlin位移解所具有的数学奇异性影响突出,在积分方程的数值求解中不能直接消除,虽以设置带取值任意性的最小微间距或以在锚固体横截圆面上积分的荷载转换方法可加以避免,却难以实现严格数理力学推导的初衷。而解析手段因引入了3个简化假设,虽数学求解上克服了奇异性困难,但使力学模型发生了失真,推导的结果仅属于特定定解条件下的数学表象。针对理论上以剪应力互等定律推断出锚固段始端侧阻力应为0,与工程实际间的矛盾,提出锚固段始端角点的应力可以是非对称的,以传统的剪应力互等定律来推断该局部区域的应力状况不尽合理。     

应力差值对深部隧道变形破坏的影响研究

以深部静水平压力条件下的圆形隧道为背景,分析了隧道周围的主应力差值分布规律及其导致岩体失稳的破坏机理,研究表明：在隧道周围存在一个界限明确的应力剪切带,剪切带内具有较大的主应力差值,是岩体破坏的易发区域,进行锚杆支护时,锚杆的长度必须大于该区域的深度才能取得可靠的支护效果。     

不同节理粗糙度系数单裂隙渗流特性试验研究

 实际岩石裂隙的裂隙面具有不同的粗糙度,难以满足立方定律的使用条件。根据N. Barton和V. Choubey(1977年)提出的10条节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,本试验运用数控电火花线切割技术,加工出具有不同节理粗糙度系数(JRC = 0～20)的10个钢模板,制作出10个包含不同JRC值单裂隙的圆柱形水泥试样(直径f 50 mm,高度100 mm),采用RCCP联测系统测试不同JRC值单裂隙在不同应力水平下的渗透性。试验结果表明：(1) 在低应力水平下,JRC值对单裂隙的渗流特性有较大影响;随应力水平的增大,JRC值对单裂隙渗流特性的影响迅速减小;(2) 不同JRC值单裂隙的渗透率与有效应力之间的关系可用负指数函数描述,并表现出明显的非线性特征,低有效应力阶段试样渗透率随有效应力的变化速度大于中高有效应力阶段的变化速度。     

冲击地压煤层局部保护层开采的减压机理研究

保护层开采是区域性防治冲击地压的有效方法,但当开采保护层不具有经济价值、不开采保护层又不能保证主采煤层防冲安全的条件下,提出了开采局部保护层的防冲方案并进行了防冲和防大变形灾害的机理研究。为了论证开采局部保护层防冲方案的安全性,通过建立局部保护层和被保护层的力学关系模型,推导了在局部保护层作用下岩体应力的计算公式,绘制了不同宽度局部保护层条件下引起冲击的垂直应力和剪应力分布云图,给出了发生冲击和大变形边界的应力判据,为设计被保护层巷道的安全位置提供了理论依据。结合河南某煤矿的实际情况,给出局部保护层减压效果的计算方法,计算结果在该煤矿强冲击危险工作面设计中得到了应用。     

高应力下砂土与结构界面单剪试验研究

利用改装自RMT-150B试验系统的单剪试验仪进行饱和砂土与结构界面单剪试验,研究高应力条件下界面本构模型及界面剪切刚度变化趋势,为高应力状态下涉及到界面力学问题的工程设计、计算提供理论依据.试验中,首先对剪切盒中的砂土进行固结,然后法向应力恒定在高应力水平上开始界面剪切,并记录试验数据,剪切时保证砂土能相对自由的变形...     

不同接触状态下粗糙节理剪切强度性质的颗粒流数值模拟和试验验证

节理表面形貌和接触状态对节理剪切力学性质有重要的影响。用砂浆材料的单轴压缩试验和光滑节理直剪试验得到材料和光滑节理的宏观力学性质参数,对颗粒流数值模拟的节理细观力学性质参数进行标定。用颗粒流离散元数值软件(PFC2D)构建人工粗糙节理表面形貌,对不同表面形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质进行颗粒流直剪数值模拟试验,获得其峰值剪切强度。同时进行人工材料节理直剪试验,与颗粒流直剪数值模拟试验结果进行对比分析,数值试验与直剪试验结果吻合较好,验证了颗粒流直剪数值模拟试验与直剪试验具有同等的精度,可以作为各种表面形貌的节理在不同法向应力水平下抗剪强度研究的一种补充方法,以解决节理直剪试验中表面形貌损失对其剪切强度的影响,也可以在少量节理直剪试验的基础上,预估相同形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质,同时还可以在现场测定不同粗糙度的节理表面形貌,预估其在不同接触状态、不同法向应力下的剪切力学性质。从而解决节理直剪试验中在相同形貌节理试件取样和制备困难的问题,且具有经济、方便、快捷、可重复性强等特点。     

Geobag stability for riverbank erosion protection structures: Physical model study

Geotextile, sand filled bags (geobags) are successfully being used to protect riverbanks against repeated erosion attacks. Large scale physical hydraulic model tests have been used to shed light on the incipient motion of the flexible geobags and enabled the review of the design methodology for sizing geobags against current loading. This study finds that the filling percentage has a large influence on the stability of the geobags, and consequently they should have a degree of filling of at least 80%. Additionally, this study found that the stability formula used for geobags should use the thickness as the characteristic diameter rather than the cube root of the volume.     

复杂应力路径下影响粘土孔压开展的因素研究

采用空心圆柱扭剪仪,针对杭州原状软黏土,设计轴对称和三维应力状态下的复杂应力路径,进行固结不排水条件下的主应力轴旋转试验,以此从试验上验证主应力轴转幅、中主应力系数、初始剪应力对剪切过程中孔压开展特征影响的理论分析结论。理论分析和试验结果均表明：在主应力轴旋转过程中,主应力轴转幅分别为0°～45°和45°～90°间的值时,试样的变形不同,产生的孔压增量不同,以主应力轴转幅等于45°为界;当中主应力系数在0～1间变化时,随着中主应力系数的增大,产生的孔压增量先减小后增大,以中主应力系数等于0.5为界,并且,中主应力系数对剪切过程中孔压开展的影响受剪应力水平的控制;初始剪应力水平越高,上升初始剪应力阶段产生的孔压增量越大,剪切过程中总的孔压水平越高。在包含主应力轴旋转和剪应力增大的剪切应力路径初始阶段,以大主应力方向角作为控制条件比以初始剪应力作为控制条件产生的孔压增量大,对剪切过程中孔压的开展影响更大。     

The effect of depositional history on contaminated bed sediment stability

Experiments were conducted in an annular flume using a commercially available kaolinite clay as well as contaminated bed sediment from Hamilton Harbour (Ontario) to assess their stability against erosion. Critical shear stress for erosion was measured under different conditions of bed formation (quiescently deposited beds and shear deposited beds) as well as with and without the presence of a biostabilized bed. Results suggest that a biostabilized bed and a bed formed under a flowing condition, similar to a river scenario, will be more resistant against erosion than will a non-biostabilized bed and a bed formed under quiescent conditions. Up to three cycles of erosion and flocculation/deposition were observed to occur within one experiment. These results suggest that the depositional history and biostabilization of river bed sediments need to be seriously considered within sediment and contaminant transport models if meaningful estimates of sediment and contaminant source, fate and effect are to be generated and used for the management of our aquatic ecosystems.