寒区流冰撞击输水隧洞的数值模拟分析

位于西北寒区的长距离输水工程在流冰期输水过程中,不同流速和不同碰撞角度的流冰对输水隧洞衬砌会形成不同程度的撞击作用,导致输水隧洞衬砌产生破损,因此为了研究该地区流冰对输水隧洞的撞击作用,采用了理论分析结合数值模拟的方法。研究结果表明:当流冰速度一定时,随着流冰与隧洞衬砌碰撞角度的增大,其对隧洞衬砌的影响呈现出近似的非线性(多项式)关系;当碰撞角度一定时,随着流冰速度的增大,其对隧洞衬砌的影响呈现出近似的线性关系;综合不同组合工况还可以发现流冰速度对隧洞衬砌的影响作用要强于碰撞角度对其的影响作用,且碰撞角度对隧洞衬砌所受的撞击力及隧洞碰撞区位移的影响较为不明显。     

非饱和泥岩土水特征曲线试验及数学模型研究

非饱和土对水分存在吸力,严重影响土体的工程特性。以一高速铁路地基泥岩为研究对象,应用滤纸法研究含水率及压实作用对其吸力的影响。研究结果表明:随着含水率的增加,基质吸力及总吸力呈非线性减小,减小过程分为骤减阶段、速率减小阶段和吸力稳定阶段;在低含水率情况下,土体中水分以气态形式进行迁移,此时接触滤纸量测的吸力为总吸力;接触滤纸的平衡含水率随着土体含水率的增加呈线性增加;干密度对低饱和度下土样的总吸力影响较大,同一饱和度下土样干密度越大,则基质吸力越大;在单对数坐标中,土水特征曲线近似呈"S"形,选用典型的SWCC模型对试验数据进行了拟合,拟合效果良好。试验结果可用于该类土体相关工程特性的预测及建模。     

大型油罐CFG桩复合地基变形与承载性能试验研究

 兰州原油末站大型油罐群,是我国首次在饱和黄土地基修建的大型储油设施。由于天然饱和黄土地基承载力仅为60 kPa,采用CFG 桩复合地基。依托其中一座15×104 m3储油罐工程开展CFG桩复合地基变形与承载特性试验研究。在地基处理范围内埋设土压力盒、孔隙水压计、沉降计等测试元件。现场试验结果表明,CFG桩复合地基承载力特征值达到275 kPa。结合罐体充水试验研究CFG桩复合地基在罐体充水过程中桩土应力、孔隙水压力、沉降及油罐环墙基础变形的变化规律。结果表明,环墙基础最大沉降量为30 mm,最小为11 mm。实测油罐任意直径方向的沉降差最大值为16.0 mm,油罐沿周边弧长方向最大非平面倾斜值为0.002 46。CFG桩桩土应力比随荷载呈增大趋势,在最大试验荷载下达到12.6,油罐底部反力沿半径方向呈“V”型分布。研究表明采用CFG桩处理饱和黄土地基是可行的,试验研究成果对饱和黄土地基修建大型储油罐提供技术依据。     

隧道–滑坡体系类型和隧道变形模式研究

在山区修建公路、铁路隧道时,常遇到隧道从滑坡体内及周边穿越的现象,这些隧道会因滑坡滑动而产生变形、开裂等病害。一直以来,由于将隧道开挖与滑坡蠕动分开考虑,未能很好地解释二者的相互作用。隧道与滑坡的空间位置关系控制病害的性质和规模,是决定隧道–滑坡体系相互作用模式的主要因素。它确定隧道在滑坡体中的受力模式,而隧道受力是导致隧道变形的根本原因,因此隧道与滑动面的相对位置关系决定隧道受力机制和变形特征。根据隧道与滑动面的空间位置关系,将隧道–滑坡体系划分为平行、正交和斜交三大体系类型,结合典型工程实例对不同的体系进行更细的划分,分析各类型的受力模式和变形特征,得到隧道–滑坡体系相互作用的规律。研究表明,不同体系其受力与变形有很大差别,总体上隧道–滑坡体系的相互作用随两者距离的增加而减弱。     

含水率及干密度对高铁泥岩地基土无荷膨胀率的影响

通过室内无荷膨胀试验,研究初始含水率与初始干密度对高速铁路泥岩地基土无荷膨胀率的影响。研究结果表明:无荷膨胀率随时间的变化规律可分为快速膨胀、减速膨胀和膨胀稳定3个阶段。在相同初始干密度情况下,膨胀率随时间增长而逐渐增大,并且试样初始含水率越低,最终达到胀限含水率时的膨胀率越大。无荷膨胀率随初始含水率的增大而减小,干密度越大,无荷膨胀率减小的速率越快;无荷膨胀率随初始干密度增大而增大,在不同含水率条件下膨胀率增长速率有所不同。试样越干燥、干密度越大,其膨胀潜能越大。对无荷膨胀率时程曲线和无荷膨胀率-初始含水率-初始干密度三者关系分别用半对数函数和二元线性函数进行拟合,拟合结果良好,可较好地预测泥岩地基实际变形情况。     

基于引水隧洞安全和经济施工的支护参数优化分析

以引大济湟项目为工程背景,结合引水隧洞施工工艺及现场条件,采用正交试验设计,建立以初衬厚度(因素A)、钢拱架间距(因素B)和开挖进尺(因素C)为影响因素的9个不同工况,运用MIDAS GTS进行数值模拟,采用极差法分析,得出各指标影响因素的主次排序,并将隧洞的安全性与经济性相结合,分析两者的线性关系,再引入灰色关联度理论,选择拱顶下沉、底板隆起等作为评价指标,对9个工况进行分析,评价出隧洞最优施工支护方案。结果表明：隧洞洞室初衬拱顶应力的影响因素主次顺序为钢拱架间距、初衬厚度、开挖进尺,即B、A、C;拱顶下沉、开挖成本占比及钢拱架成本占比的影响因素主次顺序为C、B、A;底板隆起、水平收敛以及初衬底板应力、边墙应力和拱脚应力的影响因素主次顺序为C、A、B。开挖成本占比和总成本与洞室位移、初衬应力（除开挖成本占比相对于拱顶应力之外）及综合得分均呈负相关;钢拱架成本占比与洞室位移、初衬应力(除拱顶应力之外)及综合得分均呈正相关。计算各工况灰色关联度得出综合安全性和经济性的最优方案为工况7,其关联度为0.763,具体参数为初衬厚度16 cm,钢拱架间距1.0 m,开挖进尺1.5 m。     

基于FCM-LVQ网络模型的疏勒河流域水安全评价

疏勒河流域水安全状况对祁连山脉的生态安全具有重要影响。针对疏勒河流域水安全问题,提出一种环境-生态-监管-治理模型,构建出祁连山脉内陆河流域水安全评价指标体系,通过模糊C-均值聚类分析(FCM)法结合专家打分法对指标数据进行处理,运用学习向量量化(LVQ)网络模型得到疏勒河流域水安全评价等级,并与单纯使用LVQ神经网络和BP神经网络的评价结果进行对比,以验证评价模型的实用性。结果表明:疏勒河流域水安全状况2013年表现为不安全,2014-2016年表现为基本安全,2017-2019年表现为安全,整体呈现为逐渐上升的趋势,这与流域内实际情况是相符的。另外,FCM-LVQ网络模型在运行速度及评价结果精度上明显更优于另外两种网络模型,可在流域水安全评价中推广使用。     

黄土高填方沉降规律分析及工后沉降反演预测

 为了揭示黄土高填方的沉降规律,并预测其工后沉降,对某高填方的监测成果进行分析,将FEM数值计算与分层迭代反演方法结合,对高填方的工后沉降进行反演预测。分析结果表明：填方体自身沉降占总沉降的63%而原地基沉降占37%,施工期产生沉降的主要原因是非饱和土孔隙气压密及排气固结,原地基和填方厚度的不均匀是地表差异沉降的主要原因。分层迭代反演法与FEM结合能更精确的反映施工加载对填土形变参数的影响,采用反演参数预测沉降值与现有实测数据吻合较好。     

桥梁群桩基础非线性静力计算模型及拟静力试验研究

 线弹性地基反力法(m法)仅适用于正常使用时桥梁桩基础变位较小的情况,但在强震作用下基础的变位较大。为了研究桩基础在地基土及桩身进入非线性状态下的水平承载能力及变形特性,通过群桩基础缩尺比例模型,采用拟静力试验研究桩基础的破坏机制、承载能力、变形性能以及滞回特性。提出水平荷载作用下群桩基础的非线性静力计算模型,在该模型中采用分布PMM塑性铰模拟变轴力作用下桩身的弹塑性,采用美国API规范给出的p-y曲线、t-z曲线以及q-z曲线模拟地基土的非线性(其中,p为桩侧土水平抗力,y为水平位移,t为桩周土竖向摩阻力,q为桩端土竖向抗力,z为桩土竖向相对位移)。研究结果表明：(1) 本文提出的分析模型与模型试验结果吻合较好;(2) 可采用Clough退化双线性模型模拟桩基础的滞回特性;(3) 桩身受力薄弱部位在桩顶以下0～4倍桩径范围内。研究结果可为应用能力谱法评价桩基础的抗震性能提供参考。     

铁路重力式桥墩抗震加固方法研究

铁路桥墩作为桥梁的下部结构,在地震作用下易遭到破坏。我国高烈度地区依然存在大量的低配筋重力式桥墩。此类桥墩延性及耗能能力较差,抗震能力不足。在历次强烈地震时铁路桥墩的破坏都十分严重。因此,针对既有铁路重力式桥墩提出可靠的抗震加固方法,以及对加固后桥墩的抗震性能进行评估,已成为一个急需解决的问题。根据铁路重力式桥墩的特点,研究了外包碳纤维布、外包混凝土及外包钢板3种抗震加固方法的有效性及可行性,并对3种加固材料与基础的锚固连接方式进行重点研究。制作6组共计23个不同配筋率的混凝土桥墩模型,针对每种加固方法进行试验及理论研究。研究模型桥墩加固前、后的破坏模式、滞回曲线及骨架曲线,分析各种加固方法的加固效果。研究加固后桥墩的抗震性能评估方法。主要研究内容如下:(1)针对铁路混凝土重力式桥墩配筋率低,在地震时易发生破坏的特点,提出外包碳纤维布、外包混凝土及外包钢板3种抗震加固方法。介绍了3种抗震加固方法的施工工艺,尤其对3种加固材料与基础的锚固连接方式进行了详细介绍。(2)建立3种抗震加固方法的有限元模型及求解方法。基于ANSYS有限元分析软件,研究模型桥墩加固前、后的承载能力、位移延性以及塑性区的分布规律。讨论加固材料、墩底锚固措施及加固高度等因素的影响。比较不同加固方法的加固效果。建立采用外包碳纤维布、外包混凝土及外包钢板3种抗震加固方法的三维有限元分析模型,进行桥墩水平力–位移关系的全过程分析。计算结果表明:随着加固高度的增加,破坏模式发生改变,塑性区的分布区域发生上移。采用墩底锚固措施的加固方法可以大幅度提高桥墩的承载能力和变形能力。有限元分析结果为桥墩的抗震加固参数及锚固方式的确定提供了理论依据。(3)基于相似原理,设计、制作6组(共计23个模型)具有不同配筋率的桥墩试验模型。采用3种加固方法对受损后的模型桥墩进行抗震加固。采用拟静力试验方法研究加固前、后模型桥墩的抗震性能。获得了加固前、后的模型桥墩在反复水平力作用下的滞回曲线、骨架曲线、位移延性、耗能能力及破坏模式。根据试验结果可知:对于碳纤维布和钢板加固,加固后桥墩的破坏形态由脆性破坏转变为延性破坏。加固后模型的滞回面积增大,滞回性能得到改善,耗能能力及塑性变形能力提高。加固后桥墩的承载能力得到大幅度提高。开裂荷载、极限承载力及延性提高了2~3倍。钢板加固桥墩的滞回曲线具有滑移及捏缩三线性恢复力模型的特性。对于外包混凝土加固,加固后桥墩的开裂破坏位置上移至未加固部分,但破坏形态仍属于少筋混凝土结构的脆性破坏。加固后桥墩的整体刚度明显增加,承载能力提高了2~3倍。加固后滞回特性得到部分改善,但是滞回环仍然较瘦,其耗能作用仍较差。对于全墩身外包混凝土加固,由于配筋率和配箍率都明显增加,加固后桥墩的承载力及延性明显提高。对比3种加固方法的试验结果可知:在增加桥墩刚度方面,外包混凝土及钢板加固法要优于碳纤维布加固法;在增加桥墩延性方面,外包钢板及碳纤维布加固法要优于外包混凝土加固法。(4)理论分析及试验结果都可以看出,3种抗震加固方法均能够取得明显的加固效果。(5)提出3种加固材料与基础之间的锚固连接方法,对加固前、后模型桥墩的抗震性能及加固效果进行对比分析,并通过模型试验验证了3种加固方法及连接锚固方法的有效性和可行性。(6)研究桥墩加固后抗震能力的评估方法。在有限元分析和模型试验的基础上,建立加固桥墩能力曲线的简化方法。依据等超越概率的抗震设防准则,根据既有铁路桥墩的剩余服役期限,提出考虑服役期影响的地震作用调整系数对弹性需求谱的折减方法,建立考虑加固后桥墩位移延性的非弹性需求谱曲线。给出加固后铁路重力式桥墩的抗震性能指标及其限值。提出抗震加固后重力式桥墩的抗震能力简化评估方法和评估流程,并以一抗震能力不足的铁路重力式桥墩为例进行了抗震能力评估。